3.3.2 Физическая картина изменения параметров газа по тракту в компрессоре

Рассмотрим теперь последовательно работу и взаимодействие основных перечисленных элементов центробежного компрессора. Для этого разобьем весь процесс в нем на составляющие процессы. В качестве границ отдельных участков общего процесса примем контрольные сечения, разделяющие указанные выше элементы.

Рабочий процесс просто и достаточно наглядно можно представить в виде чередования значений параметров газа при переходе от сечения к сечению. Изменение параметров газа между контрольными сечениями при этом условно изображаем прямыми линиями.

Такой график представлен на рис. 3.3, где изображено изменение давления, температуры и абсолютной скорости газа по тракту компрессора. На оси абсцисс отложены осредненные длины линий тока на каждом участке.

Сечение перед компрессором обозначено 0- 0 (см. рис. 3.2). Состояние рабочего тела в этом сечении характеризуется начальными параметрами и (см. рис. 3.3). При этом достаточно обоснованно можно принять .

Сечение на входе в лопаточный аппарат ротора обозначено 1-1, где давление и температура , а скорость . Причем величина ее должна быть такой, чтобы при известной площади проходного сечения она обеспечивала бы заданную производительность компрессора. Поскольку процесс на участке 0-1 происходит без подвода энергии из внешней среды, то полная энергия на участке входного устройства практически не изменяется и увеличение скорости от до сопровождается снижением потенциальной энергии ( ).

Сечение за рабочим колесом обозначено 2- 2. На участке 1 - 2 течения во вращающемся направляющем аппарате (1- 1') и рабочем колесе (1' -2), т. е. в лопаточном аппарате ротора (Рт) происходит одновременное повышение давления, температуры и скорости газа за счет энергии двигателя.

Рисунок 3.3 – Изменение параметров газа по тракту компрессора

Хотя относительная скорость уменьшается (это происходит главным образом в диффузорных межлопастных каналах вращающегося направляющего аппарата на участке 1-1'), но абсолютная - растет вследствие увеличения переносной скорости к радиусу . В межлопастных каналах рабочего колеса относительная скорость , т.к. для обеспечения безотрывного течения на частичных режимах каналы выполняются с постоянным проходным сечением. Давление из-за наличия поля центробежных сил в межлопаточных каналах колеса.

Рассмотрим равновесие газового элемента во вращающемся радиальном закрытом с торца канале (см. рис. 3.4). Допустим, что канал имеет постоянную площадь проходного сечения , а рассматриваемый в нем газовый элемент имеет радиальную протяженность dr. Поскольку радиального перемещения частиц в канале нет, элемент находится в радиальном равновесии, т. е. равнодействующая всех радиальных сил, приложенных к нему, равна нулю. Такими силами являются:

• центробежная сила dR;

• силы давления с внутренней Fр и внешней F (p+dp) сторон.

Условие радиального равновесия элемента dm можно записать в виде

dR-Fdр=0 (3.2)

Рисунок 3.4 – Силы, действующие на газ в центробежном рабочем колесе

Учитывая, что , полагая , после подстановки в (3.2) и преобразований получим для всего газа, находящегося в канале

; (3.3)

Из уравнения (3.3) следует, что повышение давления в рабочем колесе происходит с ростом окружной скорости (радиуса). Уравнение (3.3) получено без учета ускорений газового элемента, появляющихся вследствие кривизны линий тока и трения, но учет этого фактора принципиально не изменяет результата.

Одновременно с увеличением давления в рабочем колесе возрастает и температура, связанная с давлением уравнением процесса.

Скорость С₂ достигает наибольших значений в проточной части компрессора (≈500 м/с и более). В дальнейшем она снижается в диффузорных элементах.

В безлопаточном и щелевом диффузорах снижение скорости происходит до и до , а за счет преобразования соответствующей кинетической энергии повышается давление до и до , а температура до и Т₃ соответственно. Если диффузор разделен на безлопаточную и лопаточную части, то появляется промежуточное сечение 2' -2' . На лопаточный диффузор, как более экономичный, возлагается основная доля преобразования энергии, что видно из разного наклона линий на участках 2-2' и 2'-3.

На участке 3-4 происходит течение в выходном устройстве. Сечение 4-4 (см. рис. 3.3) часто называют выходным сечением компрессора. Обычно на расчетном режиме во избежание значительных гидравлических потерь это течение и в улитке 3-3', и в выходном диффузоре (Вых. д.) 3' -4 стараются осуществить с минимальной диффузорностью.

На рис. 3.3 приведено также изменение полного давления (без учета потерь) . Только в рабочем колесе, где подводится энергия, возрастает. На остальных участках оно теоретически остается постоянным.

В целом рис. 3.3 дает наглядную качественную картину рабочего процесса в центробежном компрессоре. Количественные же соотношения удобнее анализировать в диаграмме s-i.