Динамические компрессоры: центробежные и осевые компрессоры

Отличительной особенностью центробежного компрессора является радиальный нагнетаемый поток. Воздух всасывается в центр вращающейся крыльчатки с радиальными лопастями и под действием центробежных сил выталкивается по направлению к периметру крыльчатки. Радиальное перемещение воздушных потоков приводит к росту давления и выработке кинетической энергии. Перед поступлением в центр крыльчатки следующей ступени компрессора воздух проходит через диффузор и спираль, где кинетическая энергия преобразуется в давление.

На каждой ступени компрессорного агрегата происходит последовательное повышение общего давления. В промышленном оборудовании максимальный коэффициент сжатия на ступени центробежного компрессора зачастую не превышает 3. Более высокие коэффициенты сжатия снижают КПД ступени. Одноступенчатые агрегаты низкого давления используются, например, в системах очистки сточных вод. Многоступенчатые компрессоры предусматривают промежуточное охлаждение для снижения энергопотребления. Несколько ступеней могут последовательно располагаться на одном низкоскоростном валу. Такая конструкция часто используется в нефтегазовой или перерабатывающей промышленности.

Так как у одной ступени коэффициент сжатия достаточно низкий, для достижения требуемого давления на выходе нужно большое количество ступеней и/или несколько последовательно установленных компрессоров. Воздушные компрессоры оснащаются встроенным высокоскоростным редуктором, который вращает крыльчатки ступеней на высокоскоростных шестернях. Крыльчатка может иметь открытую или закрытую конструкцию.

Открытая конструкция наиболее часто используется в высокоскоростных воздушных компрессорах. Крыльчатка обычно изготавливается из специальной нержавеющей стали или алюминия. По сравнению с другими разновидностями компрессора, у этой конструкции очень высокая частота вращения вала крыльчатки. Обычно скорость вращения достигает 15 000 – 100 000 об/мин. Поэтому для сочленения с высокоскоростным валом или ведущей шестерней компрессора вместо шариковых подшипников используются гидродинамические подшипники скольжения. На полностью безмасляном оборудовании также устанавливаются подшипники на воздушной подушке или активные магнитные подшипники. На каждом конце вала установлено две крыльчатки для противодействия осевым нагрузкам, возникающим из-за разницы давлений. В стандартных системах подачи сжатого воздуха обычно устанавливаются 2 или 3 ступени с промежуточными охладителями.

В современных центробежных воздушных компрессорах крыльчатки напрямую приводятся в действие сверхвысокочастотными электродвигателями. Эта технология позволяет создать малогабаритный компрессор без редуктора и системы смазки, т. е. сделать компрессор полностью безмасляным. Чтобы уменьшить утечку на валу в месте прохождения через корпус компрессора, на все центробежные компрессоры устанавливаются подходящие уплотнения. Используются самые разнообразные типы уплотнений, и самые совершенные из них встречаются на высокоскоростных компрессорах высокого давления. Наиболее распространены лабиринтные уплотнения, кольцевые уплотнения или уплотнения с регулируемым зазором (обычно графитовые уплотнения) и механические уплотнения.

В осевом компрессоре возникает осевой поток, в результате чего воздух или газ проходит вдоль вала компрессора сквозь ряды вращающихся и неподвижных лопастей. Таким образом, скорость потока воздуха постепенно увеличивается по мере того, как неподвижные лопасти преобразуют кинетическую энергию в давление. Разгрузочный поршень обычно встроен в компрессор и уравновешивает осевое давление. Осевые компрессоры обычно меньше и легче аналогичных центробежных компрессоров и, как правило, работают на более высоких скоростях. Они используются в системах с постоянным и высоким объемным расходом с относительно небольшим давлением, например в системах вентиляции. Благодаря высокой скорости вращения они идеально сочетаются с газовыми турбинами для выработки электроэнергии и силовыми установками летательных аппаратов.