14. Центробежные компрессоры

Рабочая ступень центробежного колеса показана на рис.51. Здесь 1 – рабочее колесо, в котором поток газа разгоняется до высокого значения (до 250 м/с); 2 – кольцевой отвод (диффузор), в котором скорость потока снижается и часть скоростной энергии преобразуется в давление; 3 – обратный направляющий аппарат, служащий для подвода потока в следующую ступень с определенными кинематическими параметрами; 4 - разделяющая диафрагма.

Частота вращения рабочих колес центробежных компрессоров выше, чем у других типов компрессоров и обычно лежит в диапазоне 15000-100000 об/мин, поэтому в них используются подшипники скольжения.

Р азность давлений по разные стороны рабочего колеса обусловливает осевую силу, передаваемую на вал и направленную в сторону низкого давления.

Компенсация осевой силы в компрессорах реализуется установкой разгрузочного барабана, принцип действия которого полностью аналогичен работе разгрузочного диска в насосах. Разница в том, что в компрессорах, при регулировании режимов, полная компенсация осевой силы возможна лишь в одном из них. При других режимах возникает некомпенсированная осевая сила, для восприятия которой устанавливаются упорные подшипники.

Утечки через неплотности снижают объемный КПД компрессора, поэтому, с целью снижения утечек, в разгрузочном барабане устанавливают лабиринтные уплотнения. Уменьшение утечек также достигается снижением компенсации осевой силы до 75% от максимального значения, что позволяет также уменьшить диаметр разгрузочного барабана, а протекающий газ возвращается через трубки на вход компрессора.

На входе в рабочее колесо удельная энергия газа , а на выходе . Рабочее колесо передало потоку энергию L=u₂c_u2 – u₁c_u1.

При преобразовании энергии в колесе имеются потери q. связанные с передачей тепла во внешнюю среду.

Баланс энергии

Откуда конечная температура, при реальном политропном процессе сжатия и учете потерь изоэнтропным КПД, получим

. (146)

При политропном сжатии , (147)

где показатель политропы п принимают равным 1,5.

Рассматривая совместно (146) и (147) можно получить

. (148)

Уравнением (148) можно пользоваться при предварительных расчетах повышения давления в рабочем колесе.

Баланс энергии при движении потока в диффузоре

. или

Мощность привода компрессора определяется

(149)

где Q – секундная производительность компрессорам м³/с;

L_к – удельная внутренняя работа ступени Дж/м³;

η_мех – механический КПД, обычно 0,96-0,98.

15. Осевые компрессоры

О севые компрессоры также выполняются многоступенчатыми. Схема такого компрессора приведена на рис.52.

У современных осевых компрессоров степень сжатия на ступень р₂/р₁ =1,1-1,3. Ступень компрессора также можно рассматривать, как решетку лопастей (рис.38). В относительном движении энергия потоку не передается, а происходит преобразование скоростной энергии потока в потенциальную энергию давления.

В процессе относительного движения происходит изменение кинетической энергии от ρw₁²/2 до от ρw₂²/2. Одновременно происходит изменение давления, а значит и плотности газа. Тогда уравнение удельной энергии в Дж/кг на участке от входа на лопасть 1 до выхода 2 можно записать

(150)

где Δl – часть энергии переходящая в тепло.

Изменение потенциальной энергии можно вычислить, если известно соотношение между р и ρ, т.е. когда известен термодинамический процесс. В компрессорах этот процесс политропный.

Энергия, сообщаемая потоку,

L=u(c_u2 –c_u1) = u·Δc_u, (151)

Но, из плана скоростей (рис.6) c_u1=и- c_а1ctgβ₁ и c_u2=и- c_а2ctgβ₂ , тогда, поскольку c_а1= c_а2= c_а, уравнение (41) выразится, как

L=uc_а(ctgβ₁- ctgβ₂).

Пренебрегая потерями в рабочем колесе, энергия, подводимая к газу в колесе, повышает его полную энергию и определяется разностью энтальпий i_{2 –} i₁,

Уравнение затраченной энергии потока в ступени, состоящей из рабочего колеса (границы 1-2) и направляющего аппарата (границы 2-3),

, или

, из которой полезная часть составляет

. В этом случае можно оценить аэродинамическое совершенство ступени, как

(152)

Этот внутренний изоэнтропный КПД составляет 0,85-0,95.

При политропном процессе сжатия работа цикла определяется

(Дж/кг).(153)

В зависимости от необходимости получения составляющих полной удельной работы компрессора используются различные конструкции ступеней, определяемые степенью реактивности рабочего колеса ρ_к.

Рассмотрим ступень компрессора при ρ_к =0,5 (рис.53.).

По выражению (140)

, откуда с_и1+с_и2 =и.

Тогда с_и1 =и-с_и2 и с_и2 = и- с_и1.

Преобразование относительной скорости происходит при движении по лопасти колеса.

Из плана скоростей w₁²= с_и2²+c_a² и w₂²= с_и1²+c_a²

или w₁²- w₂² = с_и2²- с_и1²

Приращение давления от изменения относительной скорости (122) в Дж/кг составит

. (154)

Из формулы (154) и плана скоростей видно, что решетка лопастей увеличивает закручивание потока с_и2 > с_и1 , относительная скорость на входе выше, чем на выходе из колеса w₁ > w₂. Таким образом, в межлопастном канале рабочего колеса наблюдается диффузорный эффект, при котором кинетическая энергия движения газа преобразуется в потенциальную энергию давления.

Также из плана скоростей видно, что подкрутка потока направлена в сторону вращения колеса и абсолютная скорость с₂ возрастает.

Степень реактивности ρ_к =0,5 обеспечивает формы межлопастных каналов, при которых потери малы.

Р авенство с₁ и с₃, а также их проекций с_и3 = с_и1, говорит о том, что профили РК и НА одинаковы.

Схемы компрессорных ступеней с ρ_к =0,5 широко используются в стационарных компрессорах при высоких периферийных скоростях рабочего колеса и = 250 м/с.

Ступени компрессоров с ρ_к <0,5 не используются, поскольку из-за невысокого давления увеличивается скорость потока на выходе из колеса, которая может достичь скорости звука и привести к опасности сверхзвуковой скорости в направляющем аппарате.

В ступени с ρ_к =1 все преобразование происходит на рабочем колесе, а направляющий аппарат служит только для направления потока, не изменяясь по величине. План скоростей приведен на рис.54 .

Из выражения (140) при ρ_к =1 с_и1 = - с_и2. Из плана скоростей w₁² =с_а² +(и+с_и1)² и w₂² =с_а² +(и-с_и2)². Уже из этих последних выражений видно, что w₁ > w₂. Увеличение энергии (сжатие) в колесе ступени без учета потерь

Здесь закрутка потока направлена в сторону противоположную направлению вращения рабочего колеса.

Такие ступени используются при относительно низких периферийных скоростях и= 160-220 м/с.

В ступени с радиальным входом потока на колесо проекция вектора абсолютной скорости на фронтальное направление

с_и1 =с_и3 =0 (рис.54).

В выпускаемых промышленностью компрессорах в рабочих колесах принято соотношение

Степень реактивности рабочего колеса такой ступени

.

Преобразование скоростной составляющей в статическую

Из плана скоростей видно, что w₁ > w₂ имеет место диффузорный эффект.

Направляющий аппарат ступени также является диффузором, поскольку вектор абсолютной скорости с₂ уменьшается до значения с₁= с_а, и повышение давления.

Такие ступени часто используются в стационарных осевых компрессорах.