12. Рабочий процесс многоступенчатого осевого компрессора в диаграмме s-I. Оценка его экономичности.

Рассмотрим рабочий процесс в многоступенчатом осевом компрессоре на диаграмме в координатах s-i (рис. 12.13). Начинается он в сечении 0-0 (см. рис. 12.1), которое будем в общем случае считать соответствующим невозмущенному состоянию атмосферного воздуха. В этом сечении скорость воздуха можно с достаточной точностью принять равной с₀ = 0. На диаграмме этому состоянию соответствует точка 0.

В сечении 1-1 начинается процесс сжатия газа в проточной части. В идеальном случае он должен был бы закончиться при р_z в точке z_{иэ с} затратой энергии на сжатие l_иэ.пр.ч , но в действительности кривая процесса с наличием потерь энергии (ростом энтропии) отклоняется и он заканчивается в точке г и требует затраты работы (lпл +lг)_пр.ч

Потенциальной энергии в точке z соответствует i_Z, а кинетической - отрезок с₂²/2. Участок I-Z соответствует движению воздуха в проточной части. На нем обозначен (см. рис. 12.12) точками 1 и 3 отрезок, соответствующий процессу в промежуточной ступени. Подробно он описан выше (см. рис. 12.7). На рис. 12.13 угол между линиями процесса I-Z и l-Zиэ постоянен, что означает постоянство КПД ступеней в проточной части. И хотя процесс в реальной проточной части будет протекать иначе, в точках / и Z он будет совпадать с этим условным изображением, что и делает приемлемым в данном случае использование диаграммы.

Часть кинетической энергии, оставшейся за последней ступенью, преобразуется в выходном устройстве компрессора в потенциальную энергию в количестве (с₂² - Свых²)/2 Заканчивается процесс в компрессоре в сечении К-К, которому на диаграмме соответствует точка К, Изоэнтропический процесс в выходном устройстве протекал бы от точки Z до точки К'иэ.

Действительный процесс отклоняется от изоэнтропы, причем более значительно, чем в проточной части. Это объясняется относительно большими потерями энергии в выходном устройстве на участке Z-K. Выходное устройство проектируют так, чтобы обеспечить за компрессором выходную скорость с_вых, необходимую для дальнейшей транспортировки сжатого газа к потребителю. Полная энергия газа за компрессором характеризуется величиной ей соответствуют точка К* и параметры р_к* и Тк*

Если бы процесс в компрессоре рассматривался как идеальный, он протекал бы по изоэнтропе от точки 0 до точки Киэ или К*иэ (при полных параметрах). На такой процесс потребовалось бы затратить работу ответственно lиэ.к или l*к. В действительном процессе затрачивается работа li

С помощью диаграммы в координатах s-i, как указывалось ранее, можно графически оценить экономичность компрессора и его элементов путем сравнения отрезков, соответствующих приращению энергии рабочей среды в идеальном и действительном процессах. При высоких л_k* и большом числе ступеней в многоступенчатом осевом компрессоре на долевых и переменных режимах его работы может возникать значительное рассогласование работы крайних ступеней.

В результате рассогласования при изменении частоты вращения ротора в нерегулируемом компрессоре происходит перераспределение доли работ первых и последних ступеней в общей работе компрессора

по сравнению с расчетным режимом: при n < n_р перегружаются первые ступени, при n > n_р - последние.

Если проанализировать изменение треугольников скоростей первой и последней ступеней при изменении п, то окажется, что для уменьшения их рассогласования необходимо не одинаковое» а различное (порой в значительной степени) изменение их частот вращения. Практически это достигается разделением общего числа ступеней компрессора на группы (каскады)» размещаемые в разных корпусах с различной частотой вращения роторов. В настоящее время компрессоры каскадов низкого и высокого давлений размещаются, как правило, в одном корпусе последовательно, но на разных роторах, работающих по принципу „вал в валу". Характерным примером такого решения», являются современные судовые двухкаскадные газотурбинные двигатели. Другим путем уменьшения рассогласования ступеней многоступенчатого компрессора является применение осецентробежных компрессоров. При этом центробежная ступень, заменяющая несколько последних ступеней, может подключаться к осевой проточной части непосредственно на одном валу или в качестве второго каскада. Однако экономичность осецентробежных компрессоров обычно ниже, чем осевых.