Нагнетатели. Насосы, тягодутьевые машины и компрессоры

1. НАГНЕТАТЕЛИ

Насосы, тягодутьевые машины и компрессоры

2. Общие понятия и определения

• Напорное перемещение рабочих сред в технологическом оборудовании
осуществляется устройствами, условно называемыми нагнетателями.
• Собственно нагнетателями в соответствии с ГОСТ 28567-90 «Компрессоры.
Термины и определения» и ГОСТ 23194-83 «Нагнетатели центробежные для
транспортирования природного газа» являются нагнетатели природного
газа, устанавливаемые на компрессорных станциях магистральных
газопроводов. Однако определение «нагнетатели» часто распространяют на
насосы, тягодутьевые машины или ТДМ (вентиляторы и дымососы) и
компрессоры.
• Насосы предназначены для повышения давления и перемещения
жидкостей, ТДМ и компрессоры – газов. ТДМ и компрессоры называют
газодувными машинами.

3. Общие понятия и определения

• Характеристики нагнетателей объектов энергетики определяются
параметрами тепловой схемы и мощностью оборудования. Для энергетики
характерны большие единичные мощности оборудования.
• Самая крупная турбина ТЭС в России К-1200-240, работающая на
закритических параметрах пара (начальное давление 240 кгс/см2 и
начальная температура 540°C), имеет мощность 1200 МВт, а обслуживающий
ее паровой котел рассчитан на паропроизводительность 3950 т/ч.
Следовательно, нагнетатели в энергетике также должны обладать
достаточно большой производительностью и создавать высокое давление.

4. Устройство паровой турбины с промежуточным перегревом пара

1 – перепускные трубы; 2 – кожух; 3 – механизм
управления регулирующими клапанами ЦСД; 4 –
регулирующие клапана ЦСД; 5 – ротор ЦСД; 6 –
перепускные (реверсивные) трубы; 7,28,45 опоры; 8 – кожух ЦНД; 9 – паровпускная камера
ЦНД; 11 – ротор ЦНД; 12 – полумуфта; 13 –
горизонтальный разъем; 14 – выходной патрубок
ЦНД; 15 – опорный пояс; 16,20,23,39,42 – нижние
половины опорных вкладышей; 18,24,39 – нижние
половины корпусов ЦВД, ЦСД, ЦНД; 19,32,40 –
концевые уплотнения; 20,23,29,42 – вкладыши
подшипников; 21,31 – муфты; 22 – выходной
патрубок ЦСД; 24,39 – нижние половины наружных
корпусов цилиндра ЦВД и ЦСД; 26 – паровпускная
полость ЦСД; 28,41 – корпуса опор; 30 – гребень
упорного подшипника; 35 – внутренний корпус
цилиндра; 36 – фундаментная плита; 37 –
выходные патрубки корпуса ЦВД; 38 – выходная
камера ЦВД; 43 – механизм управления турбиной;
44 – блок регулирования и управления турбиной;

5. Принципиальная тепловая схема конденсационной турбины

6. Принципиальная тепловая схема теплофикационной турбины

7. Общие понятия и определения

• По принципу действия нагнетатели подразделяют на объемные и
динамические нагнетатели.
• Объемные нагнетатели способны развивать сверхвысокие давления
(поршневые машины), но они существенно уступают динамическим
нагнетателям по производительности. По этой причине основной тип
нагнетателя в энергетике – нагнетатель динамического действия,
преимущественно центробежной конструкции.
• При работе объемных нагнетателей происходит изменение объема рабочей
камеры, что вызывает изменение давления рабочей среды. В динамических
же
нагнетателях
изменение
давления
происходит
вследствие
преобразования энергии в потоке.

8. Объемные нагнетатели

• Среди
объемных
нагнетателей
следует
выделить
наиболее
распространенные конструктивные типы - поршневые и роторные машины.
В первом случае исполнительным органом является поршень, совершающий
возвратно-поступательное движение. Во втором случае исполнительный
орган – ротор (роторы), совершающий вращательное движение.
Знакопеременные нагрузки поршня и механизма движения ограничивают
число ходов, а, значит, производительность машины. Камера сжатия
поршневой машины хорошо уплотняется, что позволяет достигать высоких
давлений. В роторных машинах в силу постоянной частоты вращения
отсутствуют знакопеременные нагрузки, что позволяет работать при высокой
частоте вращения и достигать достаточно высокой производительности.
Однако уплотнение рабочей полости связано с серьезными техническими
сложностями, и высокое давление недостижимо. По перечисленным
причинам объемные машины в электроэнергетике выполняют
вспомогательные функции, но широко применяются в промышленной
теплоэнергетике, например, в системах воздухоснабжения, холодильной и
криогенной технике.

9. Схема одноступенчатого поршневого компрессора

9

10. Воздушный поршневой компрессор ВП

10

11. Воздушный поршневой компрессор ВМ

11

12. Винтовой компрессор

1 – ведомый вал; 2 – ведущий вал; 3 – корпус; 4 – синхронизирующие шестерни

13. Сечение винтовой пары

14. Винтовой компрессор

15. Динамические нагнетатели

• В машинах динамического действия исполнительный орган – ротор –
совершает вращательное движение. Энергия сообщается потоку с помощью
лопаток ротора. По этой причине динамические машины называют также
лопастными нагнетателями. В силу сходства ротора лопастных нагнетателей
с ротором теплового двигателя – турбины, их относят к турбомашинам.
Вращательное
движение
ротора
обеспечивает
высокую
производительность,
а
необходимое
давление
обеспечивается
многоступенчатой конструкцией.
• В конструктивном отношении лопастные нагнетатели разделяют на
центробежные и осевые. В центробежных нагнетателях повышение
давления происходит в радиальных диффузорных рабочих каналах, где на
поток действуют центробежные силы. В осевых нагнетателях повышение
давления происходит в осевых диффузорных каналах, где радиальные
перемещения среды весьма малы. Таким образом, при одинаковой частоте
вращения и диаметре ротора центробежная машина создает большее
давление вследствие действия на рабочую среду центробежных сил.
Именно по этой причине центробежные нагнетатели преобладают в
энергетике.

16. Центробежные колеса

16

17. Рабочее колесо центробежного насоса

• а – схема колеса; б – вид колеса в сборе; в – вид колеса со снятым покрывным диском
• 1 – основной диск; 2 покрывной диск (А – ступица колеса, выполненная заодно с основным диском); 3 - рабочие лопатки

18. Центробежный вентилятор

19. Центробежный дутьевой вентилятор

20. Центробежный сетевой насос СЭ

21. Осевой вентилятор

22. Схема осевого вентилятора

23. Решетка профилей осевой машины и кинематика потока во входном и выходном сечениях межлопастных каналов

24. Осевой дымосос ДОД

25. Аэродинамическая схема осевого дымососа

• 1 – всасывающий карман; 2 – вал; 3 – обтекатель; 4,6 – поворотные направляющие аппараты I-ой и II-ой ступеней;
5,7 – рабочие лопатки I-ой и II-ой ступеней; 8 – спрямляющий аппарат; 9 - диффузор

26. Осевой компрессор

26

27. Колеса осевого компрессора

27

28. Элеватор

29. Масляный эжектор и схема его включения

а
Инжектор масляной системы (а) и схема его включения (б)
а: 1 – крышка масляного бака; 2 – диффузор; 3 - сопло рабочего масла;
б: 1 – главный маслонасос; 2 – маслобак; 3 - инжектор
б

30. Трехступенчатый паровой эжектор

31. Энергетические насосы в тепловой схеме ТЭЦ

32. Параметры нагнетателей

• Параметрами называют производительность Q, напор H (давление P),
мощность N и коэффициент полезного действия η. Параметры определяют
экспериментальным путем испытаниями головного образца промышленной
серии машин. В паспорт нагнетателя вносят характеристики ‒ графические
зависимости вида P(Q), N (Q), η (Q).
• Паспортное давление и подача (т.н. номинальные параметры)
определяются в режиме максимального КПД нагнетателя.
• Производительность. Каждый нагнетатель рассчитан на повышение
давления определенного количества рабочей среды в единицу времени.
Производительность называют подачей. На практике чаще используют
объемную подачу Q.
32

33. Связь параметров. Характеристики нагнетателей

Характеристики вентилятора ВД-19-63ЦС (19ЦС-63)

34. Характеристики нагнетателей

35. Подача

• Объемную подачу измеряют в единицах, характерных для каждого типа
нагнетателя:
• - насосов [м3/ч];
• - ТДМ [тыс. м3/ч];
• - компрессоров [м3/мин].
• Объемную подачу приводят к условиям всасывания (на входе в
нагнетатель).
• Массовую подачу G = ρ·Q [кг/с] применяют при расчете мощности
компрессоров (ρ – плотность [кг/м3]).

36. Давление и напор

• Давление P (конечное давление) измеряется на выходе.
• В системе СИ единица измерения давления [Па]. На практике давление
вентиляторов измеряют в [даПа] и кПа , насосов и компрессоров в [МПа].
Кроме того для насосов и компрессоров часто используют кгс/см2 ,
вентиляторов кгс/м2 .
• Давление связано с энергией, сообщаемой в нагнетателе 1 м3 рабочей
среды: 1 Дж/ м3 = 1 Н·1 м/м3 = 1 Н/м2 = 1 Па.
• Эквивалент давления напор, измеряемый в единицах удельной работы h
Дж/кг или, чаще, в линейных единицах H м перекачиваемой среды.
Обычно напор насосов приводят в м вод. ст. , а вентиляторов, как
низконапорных машин, в мм вод. ст. .
• Напор связан с давлением соотношениями: h=P/ и H=P/ g.

37. Пересчет единиц измерения давления

38. Обобщенное уравнение Бернулли

• Расчет давления и напора нагнетателя выполняются в соответствии с
обобщенным уравнением Бернулли по затратам работы техническим
устройством lт:
c2
dlт dP d d gz dlr ,
[Дж/кг]
2
где P – давление газа, Па; υ – удельный объем газа, м3/кг; с – абсолютная
скорость газа, м/с; g – ускорение силы тяжести, м/с2, z – вертикальные
координаты сечений патрубков (всасывающего и нагнетательного), м; Ɩт и Ɩr –
соответственно техническая работа и работа против сил сопротивления,
Дж/кг. Знак «–» указывает на то, что работа затрачивается.
38

39. Обобщенное уравнение Бернулли

• Изменение кинетической энергии газа d(c2/2) в нагнетателе невелико,
поскольку скорости потока на всасывании и нагнетании компрессора обычно
близки по величине.
• Изменение потенциальной энергии положения газа d(gz) несущественно,
т.к. вертикальные координаты центров сечений всасывающего и напорного
патрубков z мало отличаются по высоте.
• Работа против сил сопротивления определяется потерями на трение,
вихреобразование и утечки, при этом она много меньше внешней работы.
• Затраты технической работы зависят, главным образом, от затрат
внешней работы на изменение потенциальной энергии среды.
• Расчеты по уравнению Бернулли упрощаются для несжимаемой жидкости
(насосы).
39

40. Давление насоса по ГОСТ 17398-72 Насосы. Термины и определения

41. Напор насоса по ГОСТ 17398-72 Насосы. Термины и определения

42. Напор насоса

43. Отношение давлений

• Способность газодувных машин повышать давление
относительная величина – отношение давлений π:
Pн
π
Pвс
характеризует
,
• где Pн – давление нагнетания; Pвс – давление всасывания.
• Для тягодутьевых машин π ≤ 1,15. Для компрессоров π >1,15.
• При π ≤ 1,15 рабочую среду в газодувной машине можно считать (с
погрешностью не более 10%) условно несжимаемой. Конструирование и
эксплуатация тягодутьевых машин значительно проще, чем компрессоров.
• При π > 1,15 учет сжимаемости обязателен вследствие существенного
теплового расширения газа при увеличении его температуры в результате
сжатия и влияние этого процесса на величину работы компрессора.
• При π ˂ 3 машину (неохлаждаемую) называют воздуходувкой или
газодувкой, а при π > 3 – собственно компрессором (охлаждаемой
машиной).

44. Мощность

• Мощность N затрачивается на повышение давления рабочей среды, ее
перемещение и компенсацию внутренних и внешних потерь.
• Полезная мощность Nп и мощность на валу Nв определяются как:
• Nп = PQ/1000, кВт ;
• Nв = PQ/(1000 ), кВт ,
• где полный КПД, Q [м3/с ], P [Па].

45. КПД

• Полный КПД определяется по выражению:
• = г о м,
• где г = P/(P+ P) – гидравлический КПД, учитывающий гидравлические
потери P в проточной части;
• о = Q/(Q+ Q) – объемный КПД, учитывающий утечки рабочей среды Q;
• м = (P+ P)(Q+ Q)/Nв = Nвн/Nв – механический КПД, учитывающий потери от
трения в подшипниках и контактных уплотнениях и дисковое трение в
зазорах между колесом и корпусом машины; здесь Nвн – внутренняя
мощность, отражающая внутренние потери.
• Полный КПД может быть определен как = Nп /Nв.

46. КПД

• Для насосов и тягодутьевого оборудования энергетического назначения, а
также крупных вентиляторов промышленных вентиляционных систем и
систем кондиционирования = 0,72 0,88; г = 0,8 0,96; о = 0,96 0,98;
м = 0,92 0,96.
• Потери также могут быть связаны с передаточным звеном ременной
передачей, вариатором, муфтой скольжения.
• Максимальным КПД обладают моноблочные конструкции, где колесо
закреплено на валу электропривода, и КПД передачи равен 100%.
• Эксплуатационный КПД установки зависит также от КПД электропривода и
способа регулирования.

47. Установка дымососа моноблочной конструкции в котельной

48. Установка дымососа с ходовой частью в котельной

49. Устройство ТДМ с ходовой частью

1 – электродвигатель; 2 – муфта; 3 – ходовая часть; 3 – ходовая часть; 4 – термометр; 5 – ротор; 6 – диск; 7 –
лопатки (крыльчатка); 8,10 – выходной и входной патрубки; 9 – рукоятка поворота лопастей; 11 – центральный
рассекатель; 12 – поворотные лопатки; 13 – поворотное кольцо; 14 – улитка (кожух); 15 – втулка; 16 – вал; 17 –
подшипник

50. КПД компрессоров

• КПД. Для характеристики экономичности компрессорных машин
используют систему относительных КПД.
• Для машин с интенсивным (жидкостным) охлаждением обычно
используют изотермический КПД ηиз , а для неохлаждаемых компрессоров
(воздуходувок, газодувок и нагнетателей) политропный ηпол или адиабатный
ηад КПД.
• Для определения КПД используют изотермическую, политропную и
адиабатную мощность компрессора.
• Изотермическая мощность компрессора Nиз – мощность изотермического
сжатия газа при отсутствии вязкости от начального состояния в компрессоре
до конечного давления в компрессоре, подсчитываемая по массовой
производительности.
• Политропная мощность компрессора Nпол – мощность политропного
сжатия газа от начального состояния в компрессоре до конечного давления в
компрессоре, подсчитываемая по массовой производительности.
50

51. КПД компрессоров

• Адиабатная мощность компрессора Nад – мощность адиабатного сжатия газа
от начального состояния в компрессоре до конечного давления в
компрессоре, подсчитываемая по массовой производительности.
• КПД компрессора – изотермический ηиз , политропный ηпол и адиабатный ηад
– есть отношение соответствующей мощности компрессора к мощности на
валу компрессора:
ηиз
N
N из
N
; ηпол пол ; ηад ад .
Nв
Nв
Nв
• Показателем энергетической эффективности нагнетателей является и
абсолютная величина – удельные затраты электроэнергии на выработку
учетной единицы продукции. Например, для воздушных компрессоров
учетная единица – 1000 м³ воздуха при условиях всасывания в соответствии
с ГОСТ 12449-80 (давление 0,1 МПа и температура 20°C).
51