СПОСОБ ЗАПУСКА ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК F04D27/00 

Изобретения относятся к компрессоростроению, в частности, к управлению и регулированию.

Известны способы запуска осевых компрессоров (см., например, авт. свид. N 1096399, 1067246, 658315, МКИ F 04 D 27/02, СССР), заключающиеся в раскрутке компрессора и дросселировании щелью с разной степенью надежности защиты от срыва запуска; или в управлении заслонкой в зависимости от частоты вращения ротора компрессора по заданному закону.

Известен также способ запуска турбоэксгаустера, содержащего осевой турбокомпрессор с индивидуальным приводом (см. авт. свид. N 1474328, F 04 D 27/00, СССР - прототип), путем его раскрутки до заданных оборотов с одновременным контролем расхода рабочего тела во всем диапазоне изменения оборотов. При запуске через зону срыва предварительно по напорным характеристикам данного типа турбоэкстаустера определяют величину расхода рабочего тела, соответствующую началу разрыва ветвей постоянных приведенных оборотов на границе устойчивой работы, а в процессе запуска расход рабочего тела поддерживают постоянным и равным указанной выше предварительно определенной величине во всем диапазоне изменения оборотов.

Известны устройства, имеющие в своем составе турбокомпрессоры, которые необходимо запускать. Например, "Турбонаддувочный агрегат ТНА 5" (проспект ПО "Кировский завод", 1988 г. - прилагается), содержащий паровую турбину в качестве привода, редуктор, компрессор и систему управления.

Общим недостатком способов запуска осевого компрессора и устройства, его реализующихся, является возможность срыва запуска, особенно после длительных остановок. Срыв запуска наблюдается у компрессоров с гистерезисной формой газодинамических характеристик. Как показывает практика, это явление присуще компрессорам отдельных модификаций. При этом под срывом режима запуска компрессора понимается скачкообразный переход траектории процесса на характеристике компрессора через границу помпажа и сопровождающийся падением степени сжатия, высокочастотной пульсацией расхода и давления и падением КПД компрессора. Наступает "зависание" режима. В условиях эксплуатации агрегатов с запуском компрессора его срыв ("зависание" режима) приводит, например, для турбонаддувочного агрегата (см. проспект) к вмерзанию судна во льдах из-за отсутствия подачи за борт воздуха для поднятия забортной воды.

Задачей данных технических решений является обеспечение надежности запуска осевого компрессора и, как следствие, повышение эксплуатационной надежности агрегатов, содержащих компрессор, путем предельно возможного снижения механических и гидравлических сопротивлений за счет уменьшения момента сопротивления страгиванию и уменьшения давления нагнетания.

Поставленная задача достигается тем, что в способе запуска осевого компрессора, заключающемся в раскрутке его ротора до заданных оборотов, предлагается дополнительно в начальный период запуска осуществлять управление ускорением раскрутки, обеспечивая переход сухого трения в подшипниках ротора к полусухому и жидкостному, а также управлением давления нагнетания, обеспечивая переход сухого трения в подшипниках ротора к полусухому и жидкостному, а также управлением давления нагнетания, обеспечивая переход от высокого напора компрессора к пониженному напору, что позволяет организовать управление расходом перепуска с нагнетания на всасывание, обеспечивая расположение линии перепуска ниже линии выхода компрессора из режима гистерезиса, где под линией перепуска понимается линия характеристики сети на характеристике компрессора (фиг. 2), определяемая степенью открытия перепускной заслонки (фиг. 1). При этом предварительно определяют величину расхода рабочего тела, соответствующего началу разрыва ветвей постоянных приведенных оборотов на границе устойчивой работы, а в процессе запуска величину расхода рабочего тела поддерживают с помощью открытия перепускной заслонки (фиг. 1) на уровне не ниже указанной выше величины расхода, соответствующей началу разрыва ветвей постоянных приведенных оборотов на границе устойчивой работы.

Поставленная задача достигается также тем, что устройство для запуска компрессора, содержащее пусковой двигатель, редуктор и систему управления, предлагается снабдить дополнительным механизмом запуска, соединенным с системой управления. При этом дополнительный механизм запуска компрессора предлагается выполнять в виде червячной передачи муфты свободного хода и перепускной заслонки, соединенной с системой управления.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства запуска осевого компрессора.

На фиг. 2 - опытные газодинамические характеристики турбокомпрессора гистерезисной формы.

Обозначения к фиг. 2:
- массовый расход G; приведенный к температуре T и давлению P перед компрессором.

относительная частота вращения ротора компрессора, приведенная к начальной температуре - изодрома. Расчетные параметры: п₀=103 1/с; T=303 K.

π - отношение начального и конечного давления
1 - правая (верхняя) рабочая ветвь изодрома (линия ____)
2 - левая (нижняя) нерабочая ветвь изодромы (линия -•-•-•-•)
3, 4 - участки скачкообразного разрыва изодромы соответственно при уменьшении и увеличении расхода (линии - - - - - - -)
5 - линия, соединяющая точки, предшествующие скачкообразному разрыву изодром (принята в качестве границы помпажа)
6 - линия, содержащая точки выхода из гистерезисной зоны
7 - участок границы помпажа между изодромами и приближенно аппроксимируемый соотношением
π = A_n•α²+1, где A_n=960 C²/M_a•K
Δ - установившиеся режимы на левых (нижних) ветвях изодром при запуске с пересечением границы помпажа после страгивания
0 - установившиеся режимы на правах (верхних) ветвях изодром при запуске без пересечения границы помпажа после страгивания.

Устройство запуска содержит пусковой двигатель 1, редуктор 2, дополнительный механизм запуска 3, установленный на валу компрессора. Дополнительный механизм запуска 3 выполнен, например, в виде червячной передачи 4, муфты 5 свободного хода и перепускной заслонки 6, соединенной с системой управления 7 и выходом компрессора.

Способ запуска осевого компрессора посредством предлагаемого устройства реализуется следующим образом.

Запуск осевого компрессора начинается с раскрутки его ротора до заданных оборотов пусковым двигателем 1 и включением всех необходимых систем и открытием перепускной заслонки 6. При этом минимальный крутящий момент, который необходимо приложить к ротору компрессора, чтобы его стронуть, определяется соотношением
M_cтp = M_p•r•ξ,(1)
где M_p - масса ротора,
r - радиус шейки подшипника,
ξ - коэффициент трения при страгивании ротора.

Сразу же после страгивания ротора его момент сопротивления вращению резко уменьшается и при частоте вращения всплытия шеек подшипников на масляный клин становится пренебрежимо малым по сравнению с крутящим моментом, необходимым для страгивания. Эта частота вращения не превышает 1 - 2% от номинальной частоты вращения. Динамические характеристики в этот период можно приближенно описать уравнениями:
(2)
(3)
(4)
Здесь K_BC=L_вс/F_вс; K_н=L_н/F_н; K_к=I_рк+I_пч
- постоянные, определяющие инерционные свойства, соответственно столбов воздуха всасывающего и нагнетательного трактов и ротора компрессора с приведенными вращающимися частями;
L, F - длина и площадь поперечного сечения трактов;
I_рк, I_пч - моменты инерции ротора компрессора и вращающихся частей;
G, n - массовый расход и частота вращения компрессора;
ΔP_вc, ΔP_н - перепады давлений во всасывающем и нагнетательном трактах между компрессором и атмосферой, имеющей давление P_a, ΔM,
разность между крутящим моментом привода (M_кр) и моментом сопротивления компрессора (M_c).

принимается по характеристике компрессора вблизи границы помпажа для самых малых из достоверных изодром.

Введением упрощающие допущения о квазистационарности газодинамических характеристик и независимости положения границы помпажа от различия размеров присоединенных трактов на объекте и на стенде, где снимались характеристики компрессора. Примем также, что в начальный период пуска M_кр=const, M_c=0 и, как следствие,
Будем полагать также, что граница помпажа в координатах газодинамических характеристик компрессора (фиг. 2) π = f(α) в области малых частот вращения достаточно аппроксимируется уравнением
π = A•α2к

С учетом указанных допущений и, полагая, что коэффициент A сохраняет свое значение во всей области существования уравнения (5), включая начало координат газодинамических характеристик (π = 1, α = 0), преобразуем уравнения (2), (3), (5) в соотношение
. (6)
Соотношение (6) позволяет сделать важные для практики выводы. Если коэффициент, вычисленный по этому соотношению, превышает некоторое значение A_п, соответствующее аппроксимации уравнением (5) линии помпажа, то это означает, что ускорение вычисленное по уравнению (4), и соответственно крутящий момент привода имеют повышенные значения и переходный процесс страгивания ротора идет с пересечением границы помпажа. В этом случае могут возникнуть недопустимо высокие напряжения на лопатках компрессора, связанные с работой в зоне помпажа, а кроме того, последующие установившиеся режимы для характеристик (фиг. 2), расположенных левее линии выхода из гистерезиса, будут реализованы на левых (нижних) нерабочих ветвях изодром, что также недопустимо из-за повышенных напряжений в лопатках и снижения параметров сжатия (низкие КПД, набор и производительность компрессора). Для исключения этого необходимо, с одной стороны, снизить ускорение таким образом, чтобы коэффициент A был заметно меньше помпажного значения A_п, а с другой - снизить гидравлические сопротивления за компрессором до значений, пролегающих ниже кривой выхода из гистерезиса. Тогда переходный процесс после страгивания пойдет без пересечения границы помпажа, и последующие режимы будут реализованы, во-первых, вдали от границы помпажа, т.е. иметь значительный противопомпажный запас, имеющий большое значение благодаря пониженной стабильности параметров в процессе запуска, а кроме того, как переходные, так и установившиеся режимы будут располагаться вне гистерезисной зоны.

Для обеспечения пониженного ускорения предлагается осуществлять плавное нарастание крутящего момента привода за счет снижения момента, потребного для страгивания, а для обеспечения пониженного давления нагнетания предлагается осуществить перепуск части воздуха из магистрали нагнетания в атмосферу. Снижение момента, потребного для страгивания и снижения давления нагнетания, осуществляется с помощью дополнительно механизма 3, выполненного в виде червячной передачи 4, муфты свободного хода 5, соединенной с валом компрессора и перепускной заслонки 6, соединенной с воздушным патрубком с трубопроводом нагнетания за компрессором. Дополнительный механизм 3 осуществляет управление ускорением раскрутки в начальный период запуска, обеспечивая плавный переход сухого трения в подшипниках ротора к полусухому и жидкостному.

Дополнительный механизм 3 работает следующим образом.

Электродвигатель червячной передачи 4 (фиг. 1), имеющий мощность не более 0,1 - 1% от мощности пускового двигателя 1, включается перед включением пускового двигателя 1 и благодаря большому передаточному отношению червячной передачи 4 создает большой крутящий момент на валу компрессора, достаточный для страгивания последнего и его вращения на малых оборотах, на которых вместо сухого трения возникает полусухое или жидкостное трение, обеспечивающие значительно меньший коэффициент трения ξ в формуле (1), т.е. для дальнейшей раскрутки ротора требуется значительно меньший вращающийся момент пускового двигателя 1, что обеспечивает резкое снижение ускорения ротора при запуске, т.е. резкое уменьшение значения A, т.е. π в формуле (5). Система управления 7 при этом открывает при необходимости заслонку 6, входящую в механизм 3, что также приводит к снижению π в формуле (5) до значений, обеспечивающих расположение линии перепуска ниже выхода компрессора из режима гистерезиса. При включении пускового двигателя обороты вала компрессора увеличиваются по сравнению с оборотами вала от червячной передачи 4, и муфта свободного хода 5 отсоединяет вал компрессора от червячной передачи 4.

Предлагаемые технические решения позволяют реализовать надежную эксплуатацию осевых компрессоров с гистерезисной формой газодинамических характеристик в широком диапазоне.

В способе запуска осевого компрессора дополнительно в начальный период запуска осуществляют управление ускорением раскрутки, обеспечивая плавный переход сухого трения в подшипниках ротора к полусухому и жидкому. В способе также может осуществляться управление расходом перепуска с нагнетания на всасывание, что обеспечивает расположение линии перепуска ниже линии выхода компрессора из режима гистерезиса. На валу устройства для запуска компрессора установлен дополнительный механизм запуска, соединенный с системой управления. Дополнительный механизм выполнен в виде червячной передачи, соединенной муфтой свободного хода с валом компрессора и перепускной заслонкой. Заслонка соединена с системой управления. Использование изобретения позволит обеспечить надежность запуска осевого компрессора. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ запуска осевого компрессора, заключающийся в раскрутке его ротора до заданных оборотов при расходе, соответствующем началу разрыва ветвей постоянных приведенных оборотов на границе устойчивой работы, отличающийся тем, что дополнительно в начальный период запуска осуществляют управление ускорением раскрутки, обеспечивая плавный переход сухого трения в подшипниках ротора к полусухому и жидкостному и/или управление расходом перепуска с нагнетания на всасывание, обеспечивая расположение линии перепуска ниже линии выхода компрессора из режима гистерезиса. 2. Устройство для запуска осевого компрессора, содержащее пусковой двигатель, редуктор и систему управления, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным механизмом запуска компрессора, установленным на его валу и соединенным с системой управления. 3. Устройство для запуска осевого компрессора по п.2, отличающееся тем, что дополнительный механизм запуска компрессора выполнен в виде червячной передачи, соединенной муфтой свободного хода с валом компрессора и перепускной заслонкой, соединенной с системой управления.