Воздуходувные машины

Воздуходувные машины

ВОЗДУХОДУВНЫЕ МАШИНЫ, воздуходувки, машины для перемещения или одновременно для сжатия и перемещения воздуха, служащего для проветривания жилых помещений и рудников, сжигания топлива в печах, приведения в движение машин, орудий и инструмента. Передвижение воздуха может производиться всасыванием его из атмосферы в воздухопровод, в котором в таком случае устанавливается давление менее атмосферного - депрессия, или же нагнетанием, связанным с большей или меньшей степенью сгущения, дающего положительное давление в воздухопроводе. Степень депрессии или сгущения указывается различно: самая слабая -  измеряется давлением столба воды; более значительная - высотой ртутного столба; наконец, давление выше атмосферного выражается в атмосферах.

Проветривание рудников и жилых помещений ведется обыкновенно отсасыванием воздуха вентиляторами (см. Вентиляция); подача воздуха под большим давлением (не менее 5, часто 10—12 atm) в машины и орудия производится компрессорами. В дальнейшем говорится лишь о воздуходувных машинах, служащих для подачи дутья в печи, или воздуходувных машинах в узком смысле этих слов.

В настоящее время воздуходувные машины достигли колоссальных размеров (до 2000 м3 воздуха в минуту для печей и до 12000 м3 для проветривания рудников). Двигателем для них служит пар - непосредственно (пароструйные воздуходувные машины) или в паровых машинах - и газ - в газомоторах; в ближайшее время возможно ожидать распространения электрических воздуходувных машин. Гидравлические двигатели находят весьма ограниченное применение (Швеция и Урал).

Основными типами воздуходувных машин являются: 1) Воздуходувные машины с прямолинейным движением рабочих органов - поршневые воздуходувные машины и компрессоры; 2) Воздуходувные машины с круговым движением рабочих органов - поршневые и центробежные вентиляторы, турбовоздуходувки.

1. Воздуходувные машины с прямолинейным движением рабочих органов употребляются в доменном производстве и в производствах, пользующихся конвертерами. Доменные воздуходувные машины должны подавать около 3,5—3,75 м3 воздуха (при 0° и 760 мм давления) на 1 кг сжигаемого в горне доменной печи кокса плюс 20—50% этого количества на потери в газопроводе и воздухонагревателях. Давление подаваемого воздуха изменяется от 0,3 до 1,25 atm сверх атмосферного. Введение в практику доменного дела печей с горнами весьма большого диаметра (до 6,55 м), сверх ожидания, не потребовало высоких избыточных давлений. Самую важную, капитальную часть воздуходувных машин первого типа представляют воздуходувные цилиндры - двудувные, горизонтальные или вертикальные, но никогда не наклонные. В весьма редких случаях, обычно при наличии гидравлической энергии, имеют применение качающиеся воздуходувные цилиндры. При большом диаметре воздуходувного  цилиндра, для наибольшей правильности его действия, желательно придавать ему вертикальное положение. При горизонтальном положении цилиндров большого диаметра, следовательно, с большим весом поршня, имеет место одностороннее изнашивание цилиндра в нижней его части; кроме того сам цилиндр под влиянием собственного веса получает некоторую эллиптичность с более короткой вертикальной осью поперечного сечения. Диаметр горизонтальных цилиндров в 2,5 м можно считать предельным. С вертикальными цилиндрами строились раньше воздуходувные машины балансирного типа (паровой и воздуходувный цилиндры имели параллельные оси штоков, а последние соединялись друг с другом коромыслом - балансиром); в настоящее же время строятся почти исключительно воздуходувные машины, в которых шток воздуходувного цилиндра представляет собой продолжение штока парового цилиндра.

При устройстве воздуходувных цилиндров особенное внимание обращается на: 1) доведение до возможного минимума вредных пространств и 2) правильное расположение и надежность действия клапанов. Т. к. кампания доменной печи измеряется годами, то надежность действия клапанов, испытывающих в год от 60 до 80 млн. ударов, приобретает особенное значение. Отсюда вытекает необходимость иметь клапаны из ударостойкого материала и необходимость точного согласования веса клапана, высоты его подъема и числа оборотов машины. Клапаны располагаются непосредственно на крышках цилиндров или в особых коробках, укрепленных на этих крышках. Первое расположение дает меньшие вредные пространства и применяется почти исключительно при горизонтальных цилиндрах, при вертикальных же цилиндрах чаще употребляется система коробок. Клапаны делаются: шарнирные из кожи, с металлическими пластинками, скрепленными медными или железными заклепками; шарнирные войлочные; дисковые металлические (стальные или медные), без пружин; дисковые с пружинами; металлические кольцевые. Кроме клапанов, в редких случаях употребляются золотники.

Поршень воздуходувного цилиндра должен: 1) иметь при большом диаметре малый вес и вполне надежную прочность; 2) давать максимальную герметичность при большей продолжительности службы. Поршень чугунный или железный кованый, с легкими дисками из листового железа с обеих сторон, имеет одежду, дающую герметичность - или органическую (кожа, холст, войлок, дерево) или металлическую (чугунные или стальные пружины). Смазка - графит.

При бессемеровском или томасовском производстве абсолютное давление воздуха 2,5—З,5 atm; цилиндры имеют более массивные размеры и число оборотов машин больше, чем при доменном производстве, а потому при той же производительности - меньшие диаметры поршней редко свыше 1,5 м. Наиболее распространенный тип - горизонтальные сдвоенные машины с кривошипами под прямым углом, системы компаунд, с маховиком. Вследствие значительного нагревания воздуха одежда поршней - только металлическая, смазка - минеральными маслами. Клапаны - гуттаперчевые или металлические: стальные и бронзовые. Иногда клапанные коробки охлаждаются водой, иногда имеют водяную рубашку и цилиндры.

С начала текущего столетия начали получать распространение турбовоздуходувки, приводимые в действие паровыми турбинами. До появления последних паровую поршневую воздуходувную машину стала вытеснять газовая воздуходувная машина, которая, несмотря на ряд недостатков, в том числе меньшую надежность действия, дает много более дешевое дутье, чем паровая. Например, два рядом находящихся завода Донецкого бассейна имеют себестоимость 1000 м3 дутья: при паре (цилиндрических воздуходувных машин) - около 2 р. 50 к., при газе - 46 к. В настоящее время, по мере повышения рабочего давления пара, температуры перегрева его и полезного действия котлов и самой турбины, последняя на 1 силу-час берет количество калорий, лишь немного превышающее таковое же газовой машины (как минимум 2400— 2550 Cal на силу-час). В результате турбовоздуходувка начинает вытеснять и паровую и газовую воздуходувную машину. Основные моменты благоприятствующие ее распространению - дешевизна топлива (Америка); при обратном явлении (Западная Европа и особенно СССР), т. е. дороговизне топлива, с ней успешно конкурирует газовая воздуходувная машина.

2. Воздуходувные машины с круговым движением рабочих органов. Воздуходувные машины с вращательным движением поршней (вентиляторы типа Рута) находят себе в настоящее время весьма ограниченное применение; их вытесняют центробежные вентиляторы (с лопатками), обыкновенно предназначаемые для подачи дутья незначительного напряжения (см. Вентиляторы). Центробежные вентиляторы применяют для подачи воздуха в газогенераторы и топки отражательных печей, а в последнее время - и в газовые горелки воздухонагревателей. Двигателями для центробежных вентиляторов служат электрические моторы, насаживаемые на общую с вентилятором ось. Мощность заводских моторов - от 5 до 80 л. с.

Пароструйные воздуходувные машины (инжекторы, или т. н. сифоны) засасывают воздух через конические насадки благодаря разжижению, которое производит пар при своем выходе из узкой трубки. Давление дутья, даваемое сифоном, незначительно (например, для газогенераторов всего 25 мм водяного столба); количество же засасываемого воздуха регулируется давлением пара. Истечение его через трубку диаметром 10 мм дает при давлении 2 atm около 65 м3, при 5 atm - 150 м3, а при 7 atm - около 200 м3 в минуту. По мере увеличения количества дутья увеличивается отношение веса пара к весу засасываемого воздуха, что представляет существенный недостаток этого воздуходувного устройства в применении его для дутья в печи. Другим его недостатком является большой расход пара для производства дутья.

Полезная работа сгущения дутья (в л. с.) выражается формулой:

Полезная работа сгущения дутья

в которой Q - количество дутья в 1 минуту - выражено в м3, а p2/p1 - представляет степень сгущения воздуха, или отношение абсолютного давления дутья к атмосферному давлению [например: 2,5—3,5 для продувки чугуна в конвертерах, 1,5—2,25 для доменных печей, работающих на коксе, 1,1—1,3 для древесноугольных печей и немногим больше 1 для горнов и вагранок (максимум 1,05)]. При определении необходимой мощности воздуходувной машины нужно иметь в виду неизбежные потери дутья и понижение давления его при проходе по воздухопроводу. Смотря по длине воздухопровода и степени его герметичности, запас дутья на потери берется не менее 20% и доводится до 50%. Потери давления при движении воздуха по воздухопроводу (от трения) определяются по формуле:

Потери давления при движении воздуха по воздухопроводу (от трения)

где k - числовой коэффициент, зависящий от степени вязкости воздуха, шероховатости труб и других факторов, I - длина воздухопровода в метрах (длинный воздухопровод д. б., по возможности, избегаем), γ - плотность воздуха (чем больше сгущение, тем больше потеря; чем выше температура дутья, тем меньше потеря), v - скорость в м/сек, p/s - отношение периметра воздухопровода к его сечению (вследствие этого воздухопроводы изготовляют круглого, а не прямоугольного сечения); чем больше диаметр воздухопровода (т. е. большая подача дутья), тем пропорционально меньшие в нем потери давления; при наперед заданной потере давления в них допускаются тем большие скорости, чем больше абсолютное количество подаваемого ими дутья. Для небольших расходов его (например, в малых коксовых, древесноугольных домнах, вагранках, кузнечных горнах) допускаются скорости около 10 м/сек, но для расхода в 600—800 м3/мин можно брать 15 м/сек; в самых больших установках (1000 м3 и более) скорости достигают 20 и даже (Соединенные Штаты Америки) 25 м/сек (считая объем при 0° и атмосферном давлении). По заданной полезной работе сгущения воздуха машиностроительный завод устанавливает надлежащую мощность двигателя, принимая во внимание его КПД, который меняется в широких пределах в зависимости от типа двигателя, деталей его устройства (конструкция поршней и клапанов имеет большое значение) и абсолютного количества подаваемого воздуха.

К воздуходувным машинам, применяемым в металлургии черных металлов, предъявляются в некоторых случаях исключительные требования: способность непрерывно работать в течение нескольких лет без остановок на ремонт; возможность регулировать работу в широких пределах как в отношении количества дутья, так и его напряжения - в доменных воздуходувных машинах максимум в 1,5 раза больше нормального (что обусловливается пробной работой при приемке). При продувке чугуна в конвертерах возможны стоянки каждую неделю; давление и количество дутья почти постоянны; подача дутья меньше, чем при доменном производстве (она доходит, однако, до 1000 м3/мин для томасовских конвертеров).

В настоящее время на металлургических заводах еще сохранились в работе поршневые цилиндрические воздуходувки большой мощности и совершенной конструкции с паровыми двигателями. Они очень удобны для работы при доменном производстве, т. к. допускают точную регулировку количества дутья в широких пределах без грубого нарушения экономичности в потреблении пара (обыкновенно от 6 до 7 кг пара на 1 л. с.). Но при установке новых воздуходувных машин паровые цилиндры заменяются газовыми (так называемые машины внутреннего сгорания) или же ставятся (предпочтительно при готовой паровой установке) турбовоздуходувки.

Газовые цилиндрические воздуходувные машины тяжелы и громоздки, требуют дорогих фундаментов и большого помещения; применение их вызывает дополнительные расходы на тонкую очистку газа; наконец, они работают с высоким коэффициентом полезного действия (22—25% обыкновенно и до 50% при использовании отходящих газов для получения пара) только при нормальной нагрузке, понижая его значительно при сокращении числа оборотов, что особенно неудобно при работе в доменном производстве. Тем не менее, высокий термический коэффициент полезного действия этих машин (расход от 2000 до 2200 Cal на 1 л. с.) в большинстве случаев делает работу их выгодной.

Газовая воздуходувная машина с 4 цилиндрами

На фиг. 1 изображен продольный разрез современной газовой воздуходувной машины с 4 цилиндрами, соединенными общим штоком. Два цилиндра двигателя (правая сторона) работают попеременно как 4-тактные, так что через каждые два хода поршней производится взрыв газа. В двух воздуходувных цилиндрах (левая сторона) производится последовательно (т. е. в 2 ступени) сжатие воздуха до высокого давления (например, 6 atm), когда воздуходувная машина работает как компрессор. Подача дутья для доменных печей, т. е. под давлением, не превосходящим 2 atm, производится одним воздуходувным цилиндром наибольшего возможного диаметра и с малым сравнительно ходом (фиг. 2).

Подача дутья для доменных печей

При газовых воздуходувных машинах новейшей конструкции устанавливают турбовоздуходувки (фирма DEMAG) или особые добавочные воздуходувные цилиндры на общем штоке (фирма Тиссен), дающие в минуту до 320 м3 дутья под давлением 1/4—1/3 atm, служащего для продувки газовых цилиндров после взрыва в них газовой смеси.

Газовые воздуходувные машины новейшего типа и наибольшей мощности, устанавливаемые теперь на наших южных заводах (13 машин первой очереди), имеют размеры: длина хода 1,5 м, диаметр воздуходувных поршней 3,2 и 3,35 м; число оборотов 80 и 79, подача (при КПД = 87%) 1800 м3/мин при давлении 1,1 atm; последнее может доходить до 2 atm при соответственном понижении подачи дутья. Мощность машин 3800—3860 л. с. Гарантированный расход тепла 2000—2100 Cal на 1 л. с. При машинах устанавливаются паровые котлы, использующие жар выхлопных газов: при 240 м2 поверхности нагрева отдача до 1 кг пара на 1 эффективную л. с. (давление 14 atm). Это повышает термический КПД установки с 26—28 % до 31—33 %. Стоимость установки одной машины указанных размеров и мощности (включая и расход на здание) доходит до 1,25 млн. руб., но подача дутья ими обходится в 1 р. 80 к. на 1 т чугуна, что дает значительное уменьшение расходов на дутье. Наибольшая возможная производительность доменных печей при указанной подаче дутья - 600 тонн чугуна в сутки.

Турбовоздуходувки занимают очень мало места (как резервные они устанавливаются в углу старых машинных зданий), легки и дешевы, не нуждаются в дорогом фундаменте, требуют минимум ухода, расходуют пара гораздо меньше, чем паровые цилиндрические воздуходувки, но газа (для отопления паровых котлов) - больше, чем газовые воздуходувные машины. При доменном производстве турбовоздуходувки могут хорошо работать только тогда, когда они снабжены автоматической регулировкой количества дутья и способны не снижать его при увеличении противодавления в печи (многоступенчатые турбины).

Турбовоздуходувка фирмы Б.-Б.-Р. (Браун-Бовери-Рато, Баден в Швейцарии)

Фиг. 3 изображает в разрезе турбовоздуходувку фирмы Б.-Б.-Р. (Браун-Бовери-Рато, Баден в Швейцарии) с двусторонним засасыванием атмосферного воздуха и выдачей сжатого в середине; фиг. 4 и 5 представляют одно из колес вентилятора и его лопатку (в увеличенном масштабе).

Одно из колес вентилятора и его лопатка

При 2900 об/мин. эта воздуходувная машина подает 700 м3/мин. Для некоторых из наших южных заводов заказаны воздуходувные машины мощностью в 3780 л. с. с подачей 1500 м3/мин (в США работают турбовоздуходувки с подачей 2000 м3/мин). Двигателем в турбовоздуходувках служат паровые турбины и электромоторы. На фиг. 6 дан общий вид турбовоздуходувки с паровой турбиной Б.-В.-Р.; но она не всегда удобоприменима, как, например, при доменном производстве, когда и количество и напряжение дутья меняются в широких пределах.

Турбовоздуходувка с паровой турбиной

Электровоздуходувки не нашли себе пока широкого применения на заводах, так как на центральных силовых станциях, где имеются динамо, работающие от газовых машин, выгоднее получать дутье непосредственно от этих же машин, минуя лишнюю передачу.

 

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 4 - 1928 г.