Характеристики центробежных компрессоров

Характеристиками компрессоров называют графики зависимости конечного давления p₂ (при p₁ = const) или степени от сжатия ε, его КПД, мощности на валу N_в производительности центробежного компрессора.

Производительность принято выражать или в весовых единицах (кг/сек, кг/час) или в объемных по условиям всасывания (м³/сек, м³/час).

Характеристики приводятся в паспорте машины и снимаются на заводе-изготовителе испытанием опытных образцов или отдельных машин данной конструкции.

Уравнение Эйлера одинаково применимо для анализа работы, как центробежных насосов, так и центробежных компрессоров. Поэтому теоретические характеристики центробежных компрессоров и центробежных насосов аналогичны. Лопатки рабочих колес центробежных компрессоров обычно загнуты назад (β₂ = 40 - 60°) и только для турбогазодувок низкого давления лопатки иногда оканчиваются радиально (β₂ = 90°).

Однако компрессорные характеристики по сравнению с характеристиками центробежных насосов обладают некоторыми особенностями:

Рис.10. Характеристики центробежных компрессоров

Рис.11. Характеристика p₂ = f (Q)

1. Haклон характеристик p = f (Q) повышается с увеличением числа оборотов, ay насосов этого не наблюдается. Это, объясняется следующим. Наклон характеристик характеризуется первой производной

где E₁ и Е - коэффициенты, зависящие от геометрических размеров колеса и числа оборотов.

С увеличением числа оборотов возрастают скорости и степень сжатия . При этом удельный вес газа γ возрастает, что приводит к увеличению , т.е. к увеличению угла наклона касательной к кривой p = f (Q).

При высоких значениях производительности и числа оборотов характеристики давления центробежных компрессоров приближаются к вертикальным линиям. Следовательно, при некоторых режимах нагрузки производительность компрессора сохраняется постоянной при изменении давления.

Это объясняется тем, что при высоких Q и n скорость газа в межлопаточных каналах I ступени достигла критической и не может быть повышена. Поэтому и производительность не может быть больше критического значения, соответствующего вертикальному участку характеристики.

2. На работу центробежных компрессоров существенное влияние оказывают пульсации давления и помпаж.

Пульсации давления имеются при всех режимах работы центробежных компрессоров, что объясняется периодическим срывом вихрей газа с рабочих лопастей. При уменьшении же производительности Q пульсации давления возрастают и при некоторых Q (слева от точки максимального давления) работа компрессора становится неустойчивой, сопровождающейся резкими скачками давления и производительности. Это явление называется помпажом.

Явление помпажа

В системах, состоящих из трубопроводов и центробежных или осевых машин, МОГУТ возникать изменения режимов (резкое изменение расхода со стороны потребителя, резким изменением числа оборотов при изменении частоты в электросети и др.). Такие возмущения выводят систему из равновесия и вызывают колебания давления, расхода и мощности на валу.

Если с течением времени колебания затухают, то система является устойчивой. Если же с течением времени амплитуда колебаний возрастает» то устойчивость не восстанавливается. В системе возникают автоколебания - помпаж (это явление сходно с явлением резонанса при колебаниях механических систем).

П усть центробежная машина работает в системе с малым гидравлическим сопротивлением, состоящей из самой машины, трубопроводов и емкости А.

Характеристика машины имеет экстремальною точку А₁, которой соответствует расход Q₁ давление p_max. Всю область работы машины можно разделить на две области: область неустойчивой работы (не заштрихована) и область устойчивой работы (заштрихована).

Рис.12.

Рассмотрим случай, когда расход газа, поступающего к потребителю, Q_П1 < Q₁, т.е. меньше расхода, соответствующего экстремальной точке.

В момент включения машина дает производительность Q_м.нач. Т.к. Q_П1 < Q_м.нач, давление в емкости А повышается, рабочая точка будет перемешаться по характеристике машины вверх. При этом производительность машины уменьшается, приближаясь к Q_П1. В определённый момент рабочая точка займет положение A₁, где еще имеется неравенство Q_П1 < Q₁, а машина уже создает максимальное давление.

Вследствие инерции движущихся масс газа в каналах машины и трубопроводах произойдет еще некоторое увеличение давления в емкости до p_A > p_max. Так как p_A > давления, создаваемого машиной, то при этом начинает сказываться торможение потока и обратное течение газа из емкости А через машину наружу ( если нет обратного клапана).

Вследствие этого и наличия Q_П через некоторое время давление в емкости упадет до p₂ и машина вновь подает в сеть производительность Q₂. Но Q₂ < Q_П1, и поэтому давление в емкости А снова начнет возрастать и цикл повторится.

Следовательно, если Q_П1 < Q₁, то установка будет работать с периодическими колебаниями давления и производительности, т.е. в режиме помпажа.

Помпаж возникает только в тех режимах работы, где , т.е. угол наклона между касательной к характеристике и осью Q меньше 90°. Если расход газа к потребителю

, то (отрицателен)

Аналогичным методом нетрудно показать, что при этом колебания давления и производительности, вызванные каким-либо возмущением, затухают (система устойчива).

Поэтому завод-изготовитель указывает, границу помпажа на характеристиках. Необходимо, чтобы Q_потреб не выходило за область устойчивости работы.

Регулирование производительности центробежных машин

С целью предотвращения работы компрессора в неустойчивой зоне, а также получения постоянного давления при меняющейся производительности и др. регулирование можно осуществлять различными способами.

1. Дросселированием при n = const.

2. Изменением числа оборотов.

3. Регулированием поворотными направляющими аппарата на входе в колесо.

Дроссельное регулирование при n = const

Пусть центробежная машина включена в систему, показанную на рис.13. Представим на графике характеристики центробежной машины (Н или p, N_в, η = f (Q)) и характеристику трубопровода (ВА, ДС)

Пусть регулирующий дроссель открыт полностью сопротивление трубопроводной сети min. При этом трубопровод имеет характеристику ВА. Состояние равновесия систематически характеризуется точкой А пересечения характеристик машины и трубопровода. Точка А определяет режим работы установки (производительность Q) напор или давление Н (p), N_в и η.

Прикроем дроссель на напорной трубе. При этом сопротивление трубопровода станет больше и его характеристика будет круче BA₁.

Рис.13.

Новое состояние равновесия системы характеризуется точкой А₁, т.е. рабочая точка переместится по характеристике машины влево вверх.

При этом новое состояние системы характеризуется другими параметрами (Q_рег, H(p)_рег, N_{в рег}, η_рег)

Этот способ регулирования применяется только для уменьшения производительности.

Из графиков видно, что дросселирование уменьшает N_в и вместе с тем возрастает доля энергии, расходуемой при регулировании. Возрастает потеря мощности на регулирующем дросселе, сопротивление которого возрастает. Эти непроизводительные для насоса равны

.

Таким образом энергетическая эффективность этого способа рeгyлировaния низкa. Однако вследствие чрезвычайной простоты он получил широкое распространение.

Производительность центробежной машины может при n = const изменяться не только вследствие закрытия напорного вентиля, но и самопроизвольно при изменении давления в системе трубопроводов. Например, если по какой-либо причине давление p₂ в напорном баке возрастает, это приведет к смещению характеристики трубопровода вверх (параллельно исходному положению ДС). Рабочая точка системы переместится влево вверх, производительность и уменьшится.

В некоторых случаях режим работы центробежной машины может изменяться самопроизвольно. Так, например, если прекратится расход жидкости из напорного бака, а центробежная машина работает, то статическая высота Н_г и p₂ будут возрастать. Это приведет к смещению характеристики трубопровода параллельно вверх. Рабочая точка будет перемещаться влево вверх, производительность и N_в будут падать. Такой процесс может протекать до нулевой производительности машины, когда статическая высота подачи (p₂ + γH) сравняется с напором холостого хода.