Нагнетатели. Насосы, тягодутьевые машины и компрессоры презентация

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.

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.

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;

Принципиальная тепловая схема конденсационной турбины

Принципиальная тепловая схема теплофикационной турбины

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.

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.

Схема одноступенчатого поршневого компрессора

Воздушный поршневой компрессор ВП

Воздушный поршневой компрессор ВМ

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

Сечение винтовой пары

Винтовой компрессор

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.

Центробежные колеса

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

Центробежный вентилятор

Центробежный дутьевой вентилятор

Центробежный сетевой насос СЭ

Осевой вентилятор

Схема осевого вентилятора

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

Осевой дымосос ДОД

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

Осевой компрессор

Колеса осевого компрессора

Элеватор

Масляный эжектор и схема его включения
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
а
б

Трехступенчатый паровой эжектор

Энергетические насосы в тепловой схеме ТЭЦ

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.

Связь параметров. Характеристики нагнетателей
Характеристики вентилятора ВД-19-63ЦС (19ЦС-63)

Характеристики нагнетателей

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]).

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/ρ и H=P/ρg.

Пересчет единиц измерения давления

Обобщенное уравнение Бернулли
Расчет давления и напора нагнетателя выполняются в соответствии с обобщенным уравнением Бернулли по затратам работы техническим устройством lт:
[Дж/кг]
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.

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).

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

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

Напор насоса

Отношение давлений
Способность газодувных машин повышать давление характеризует относительная величина – отношение давлений π:
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).

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/(1000η), [кВт],
где η − полный КПД, Q [м3/с ], P [Па].

КПД
Полный КПД η определяется по выражению:
η = ηгηоηм,
где ηг = P/(P+ΔP) – гидравлический КПД, учитывающий гидравлические потери ΔP в проточной части;
ηо = Q/(Q+ΔQ) – объемный КПД, учитывающий утечки рабочей среды ΔQ;
ηм = (P+ΔP)(Q+ΔQ)/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 η = Nп /Nв.

КПД
Для насосов и тягодутьевого оборудования энергетического назначения, а также крупных вентиляторов промышленных вентиляционных систем и систем кондиционирования η = 0,72÷0,88; ηг = 0,8÷0,96; ηо = 0,96÷0,98; ηм = 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.

Установка дымососа моноблочной конструкции в котельной

Установка дымососа с ходовой частью в котельной

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

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.