Центробежные и осевые компрессоры. Предельная степень повышения давления в а. Ступени, кпд компрессора.
Компрессор – машина для сжатия воздуха или газа до избыточного давления не ниже 15 кПа. По устройству компрессора различают: объемные (поршневые и ротационные), в которых сжатие газа происходит при уменьшении замкнутого объема; лопаточные (центробежные и осевые), в которых силовое воздействие на газ осуществляется вращающимися лопатками, и струйные, принцип действия которых подобен струйным насосам.
Компрессора также подразделяют по роду сжимаемого газа (воздушные, кислородные и др.), по создаваемому давлению (низкого давления – до 1 МПа, среднего – до 10 МПа, высокого – свыше 10 Мпа), по подаче и др. признакам.
Осевые и центробежные компрессоры различаются между собой направлением основного потока в рабочем колесе. В осевом компрессоре направление потока совпадает с осью вращения рабочего колеса, в центробежном компрессоре поток движется в радиальном направлении. В осевых и центробежных компрессорах давление повышается в результате превращения кинетической энергии в потенциальную.
В осевом компрессоре поток рабочего тела, как правило воздуха, движется условно вдоль оси вращения ротора компрессора.
Осевой компрессор состоит из чередующихся подвижных лопаточных решёток ротора, состоящих из лопаток закреплённых на валу и именуемых рабочими колёсами (РК), и неподвижных лопаточных решёток статора и именуемыхнаправляющими аппаратами (НА). Совокупность, состоящая из одного рабочего колеса и одного направляющего аппарата именуется ступенью.
Треугольники скоростей рабочего колеса иллюстрирующие сложное движение частиц воздуха. Видна диффузорность межлопаточного канала.
Пространство между соседними лопатками как в рабочем колесе, так и в направляющем аппарате именуется межлопаточным каналом. Межлопаточный канал как в рабочем колесе, так и в направляющем аппаратедиффузорный, то есть расширяющийся. Межлопаточный канал является расширяющимся, когда диаметр окружностей, вписанных в этот канал увеличивается при вписывании этих окружностей от передней кромки к задней.
Принцип действия центробежного компрессора в общем сопоставим с принципом действия осевого компрессора, но с одним существенным различием: в центробежном компрессоре поток воздуха входит в рабочее колесо вдоль оси двигателя, а в рабочем колесе происходит поворот потока в радиальном направлении. Таким образом, в рабочем колесе за счёт центробежной силы создаётся дополнительный рост полного давления. То есть частицы рабочего тела получают дополнительную кинетическую энергию.
Рабочее колесо центробежного компрессора представляет собой диск или же сложное тело вращения, на котором установлены лопатки, расходящиеся от центра к краям диска. Межлопаточный канал в центробежном рабочем колесе, так же, как и в осевом — диффузорный. По типу используемых лопаток рабочие колеса квалифицируются на радиальные (профиль лопатки ровный) и реактивные (профиль лопатки изогнутый). Реактивные рабочие колеса обладают более высокими КПД и степенью сжатия, но сложнее в изготовлении, и, как следствие — дороже. Поток газа попадает в рабочее колесо центробежного компрессора, где частицам газа передаётся кинетическая энергия вращающегося колеса, диффузорный межлопаточный канал производит торможение движения частиц газа относительно вращающегося колеса, центробежная сила придаёт дополнительную кинетическую энергию частицам рабочего тела и направляет их в радиальном направлении. После выхода из рабочего колеса частицы рабочего тела попадают в диффузор, где происходит их последующее торможение, с преобразованием их кинетической энергии во внутреннюю.
Для центробежных компрессоров справедливо следующее уравнение[1]
где
Ws — входная мощность на валу,
u — скорость конца лопастей,
Cθ — касательные составляющие скоростей жидкости, отрывающейся от лопастей, в положениях 1 и 2, входная и выходная, соответственно.
Степень повышения давления в компрессоре определяется расположением и размерами всасывающего и нагнетательного окон. Окна должны быть размещены таким образом, чтобы после отделения пространства между зубьями от всасывающего окна до соединения этого пространства с нагнетательным окном произошло бы такое изменение объема пространства между зубьями, которое бы соответствовало требуемому повышению давления.
Степень повышения давления А, является следствием увеличения количества подводимой теплоты, пропорционально которой растет и удельная работа цикла.
Мощность отдельных компрессоров достигает десятков МВт (центробежные и осевые компрессора), а подача свыше 20 тыс. куб. метров в минуту (осевые компрессора). Лопастные компрессоры (центробежные и осевые) наз-т турбокомпрессорами. Их применяют когда требуется большая производительность при сравнительно малом давлении. Турбокомпрессор работает аналогично вентилятору. Его комплектуют из нескольких последовательно соединенных и расположенных на одном валу ступеней, между которыми для повышения КПД устанавливают направляющие аппараты. Обычно применяют радиальные колеса, которые по сравнению с осевыми имеют больший коэффициент давления.
Коэффициент полезного действия компрессора является условной величиной, поскольку компрессор не производит, а потребляет энергию.
Эффективность (КПД) компрессора - это показатель того, как хорошо компрессор может сжимать воздух, не нагревая его в большей степени, чем диктуют законы термодинамики. Термодинамика говорит, что температура воздуха должна увеличиваться пропорционально степени повышения давления. Такое увеличение температуры наблюдалось бы в идеальных условиях. Однако фактически температура всегда выше, чем в термодинамических расчетах. Измеренное увеличение температуры, конечно, является фактической температурой. Эффективность (КПД) - расчетное увеличение температуры, разделенное на её фактическое увеличение.
Центробежные компрессоры имеют максимальный КПД порядка 70%. Выбор размера компрессора становится, главным образом, вопросом того, где достигает максимума эффективность компрессора относительно характеристик расхода системы двигатель/турбина.
Техническая термодинамика, Тепломассообмен: