Центробежный нагнетатель

Центробежный нагнетатель — это тип динамического компрессора (газодувной машины), в котором повышение давления и перемещение газа (воздуха) происходит за счёт центробежной силы, создаваемой вращающимся рабочим колесом. Относится к классу турбомашин и является основным элементом турбокомпрессоров, центробежных вентиляторов и газодувок. В отличие от поршневых или винтовых компрессоров, центробежные нагнетатели отличаются высокой производительностью при относительно небольших степенях сжатия (как правило, от 1,1 до 4,0).

Принцип действия

Работа центробежного нагнетателя основана на преобразовании кинетической энергии, сообщаемой газу вращающимся колесом, в потенциальную энергию давления. Газ поступает в центральную часть рабочего колеса (входной патрубок) и захватывается лопатками. Под действием центробежной силы частицы газа отбрасываются от центра к периферии колеса, приобретая значительную скорость (до 300–500 м/с). Затем газ попадает в спиральный корпус (улитку) или диффузор, где его скорость резко снижается, а давление возрастает в соответствии с законом Бернулли.

Основные элементы конструкции

• Рабочее колесо (импеллер) — вращающийся диск с лопатками, обеспечивающий разгон газа. Может быть открытого, полуоткрытого или закрытого типа.
• Входной патрубок — канал, подводящий газ к центру колеса.
• Диффузор (безлопаточный или лопаточный) — неподвижный элемент, преобразующий кинетическую энергию газа в давление. В некоторых конструкциях (например, в вентиляторах) может отсутствовать.
• Спиральный корпус (улитка) — сборная камера, собирающая газ с периферии колеса и направляющая его в выходной патрубок.
• Вал и подшипники — опоры вращения, часто с системой смазки и охлаждения.
• Уплотнения — предотвращают утечки газа между вращающимися и неподвижными частями (лабиринтные, щелевые, контактные).

Классификация

Центробежные нагнетатели классифицируются по нескольким признакам.

По создаваемому давлению (степени сжатия)

• Вентиляторы — низкое давление (до 0,015 МПа, степень сжатия до 1,15). Используются для перемещения больших объёмов воздуха при малом сопротивлении сети.
• Газодувки (воздуходувки) — среднее давление (0,015–0,3 МПа, степень сжатия 1,15–3,0). Применяются в системах пневмотранспорта, аэрации, вентиляции.
• Компрессоры — высокое давление (свыше 0,3 МПа, степень сжатия более 3,0). Часто выполняются многоступенчатыми (2–10 ступеней) для достижения давления до 10–20 МПа.

По числу ступеней

• Одноступенчатые — одна пара «рабочее колесо + диффузор». Просты, компактны, но имеют ограниченную степень сжатия (до 2,0–2,5).
• Многоступенчатые — несколько последовательно расположенных колёс на одном валу, разделённых возвратными каналами. Позволяют достичь высоких давлений (до 10–20 МПа) при сохранении компактности.

По типу привода

• С электродвигателем — наиболее распространённый тип. Мощность от единиц киловатт до десятков мегаватт.
• С газовой турбиной — применяются в авиации и газоперекачке (турбокомпрессоры).
• С механическим приводом — от двигателя внутреннего сгорания (например, в автомобильных нагнетателях).
• Паротурбинные — используются на крупных промышленных установках.

По конструктивному исполнению

• Горизонтальные — вал расположен горизонтально. Наиболее распространены в стационарных установках.
• Вертикальные — вал вертикальный, что экономит площадь и улучшает дренаж конденсата.
• Встроенные — входят в состав турбокомпрессорных агрегатов (например, в газотурбинных двигателях).

История

Первые прототипы центробежных вентиляторов были созданы в середине XIX века. В 1851 году французский инженер Теофиль Гюйо построил устройство, напоминающее современную центробежную воздуходувку. В 1880-х годах швейцарская компания Brown, Boveri & Cie (BBC) начала промышленное производство центробежных компрессоров.

Значительный вклад в развитие теории и практики центробежных машин внесли русские и советские учёные. В 1930-х годах профессор М. И. Гуревич разработал методы расчёта рабочих колёс. В 1940–1950-х годах под руководством академика М. В. Келдыша были созданы высокоэффективные многоступенчатые компрессоры для авиационных двигателей. В СССР центробежные нагнетатели широко применялись в металлургии (доменные воздуходувки), химической промышленности и газотранспортной системе.

В 1960–1970-х годах с развитием газотурбинных двигателей центробежные компрессоры стали основным типом для газоперекачивающих агрегатов (ГПА) магистральных газопроводов. В России крупнейшими производителями являются ОАО «Казанькомпрессормаш», АО «НИИтурбокомпрессор» (Казань), АО «Компрессорный комплекс» (Санкт-Петербург).

Применение

Центробежные нагнетатели используются в широком спектре отраслей промышленности и техники.

Промышленность

• Металлургия — подача дутья в доменные и конвертерные печи (доменные воздуходувки производительностью до 10 000 м³/мин и давлением до 0,5 МПа).
• Химическая и нефтехимическая промышленность — сжатие технологических газов (азот, водород, природный газ, этилен), подача воздуха в реакторы.
• Нефтегазовая отрасль — газоперекачивающие агрегаты (ГПА) на компрессорных станциях магистральных газопроводов. Давление нагнетания до 10–12 МПа, производительность до 100 млн м³/сут.
• Энергетика — подача воздуха в топки котлов (дутьевые вентиляторы), отвод дымовых газов (дымососы), наддув газотурбинных установок.

Транспорт

• Авиация — турбокомпрессоры газотурбинных двигателей (осецентробежные схемы в вертолётных и малых авиадвигателях).
• Автомобилестроение — механические нагнетатели (компрессоры Roots, центробежные) для наддува двигателей внутреннего сгорания. В 1930-х годах компания Daimler-Benz использовала центробежные нагнетатели на гоночных автомобилях. В России центробежные нагнетатели применяются на некоторых моделях двигателей КамАЗ и ЯМЗ.

Коммунальное хозяйство и строительство

• Вентиляция и кондиционирование — центробежные вентиляторы в системах приточной и вытяжной вентиляции зданий.
• Водоочистка — аэрация сточных вод (воздуходувки для подачи воздуха в аэротенки).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая производительность — способность перемещать большие объёмы газа (до сотен тысяч кубометров в час).
• Непрерывность потока — отсутствие пульсаций, характерных для поршневых машин.
• Компактность — малые габариты и масса по сравнению с поршневыми компрессорами аналогичной производительности.
• Простота конструкции — меньшее количество движущихся частей, высокая надёжность.
• Возможность работы на загрязнённых газах — при соответствующем исполнении (например, в дымососах).

Недостатки

• Низкая степень сжатия — для получения высокого давления требуется многоступенчатое исполнение.
• Чувствительность к изменению режима — эффективность резко падает при отклонении от расчётной точки (помпаж).
• Высокие пусковые токи — для электропривода требуются мощные пусковые устройства.
• Шум — работа сопровождается аэродинамическим шумом, требующим звукоизоляции.

Интересные факты

• Крупнейшие в мире центробежные компрессоры используются на газоперекачивающих станциях «Газпрома» (Россия). Мощность привода достигает 25–30 МВт, а масса агрегата — сотни тонн.
• В авиации центробежные компрессоры применяются в двигателях малой и средней тяги (например, в вертолётных двигателях серии ТВ2-117, ТВ3-117). Они обеспечивают высокую надёжность и устойчивость к попаданию посторонних предметов.
• Первый в мире центробежный компрессор для сжатия природного газа был изготовлен в 1906 году швейцарской компанией Sulzer. Он использовался на газовом месторождении в США.
• В России центробежные нагнетатели производятся на предприятиях: АО «Казанькомпрессормаш» (Казань), АО «НИИтурбокомпрессор» (Казань), АО «Компрессорный комплекс» (Санкт-Петербург), ООО «Пензкомпрессормаш» (Пенза).

Источники

• «Центробежные компрессоры» / под ред. К. П. Селезнёва. — М.: Машиностроение, 1982.
• Гуревич М. И. «Теория и расчёт центробежных компрессоров». — М.: Оборонгиз, 1956.
• «Компрессорные машины» / под ред. В. М. Черкасского. — М.: Энергия, 1978.
• «Газотурбинные двигатели» / под ред. А. А. Иноземцева. — М.: Машиностроение, 2007.
• «Справочник по компрессорам» / под ред. В. И. Епифанова. — М.: Недра, 1989.