Центробежный компрессор

Состоит из следующих основных частей: входного устройства 1, рабочего колеса 2, диффузора 3 и выходных патрубков 4.

Рис. 17.11. Центробежный компрессор

Входное устройство обеспечи­вает равномерный поток возду­ха на входе и выполняется в виде суживающегося канала. Поэтому скорость воздуха во входном устройстве несколько возрастает, а давление падает. Рабочее колесо состоит из диска, насаженного на вал, вместе с которым оно приводит­ся во вращение.

На диске рабочего колеса имеются радиальные лопатки, образующие расширяющие каналы, по которым под действием центробежных сил движется воздух. При вращении колеса, находящийся между лопатка­ми, газ приходит во вращение и под действием центробежной силы выбрасывается в диффузор, где происходит преобразование его кинетической энергии в потенциальную энергию давления. При этом на входе в колесо образуется разрежение, вследствие чего новые порции газа непрерывно под давлением атмосферы поступают в нагне­татель.

Выражение I начала термодинамики для сжатия реального газа имеет вид: .

Отсюда работа на привод центробежного компрессора , при , и , , .

Современные центробежные авиационные компрессоры могут обеспечить сравнительно небольшой расход воздуха (m_в= 4050 кг/с), поскольку увеличение расхода воздуха приводит к значительному увеличению центробежного компрессора, а следовательно, и веса, что дли авиационных двигателей являет­ся нецелесообразным.

По этим причинам в большинстве современных авиационных реактивных двигателей предпочитают применить осевые компрессоры.

Осевой компрессор

Состоит из входного устройства 1, рабочего колеса (ротора) 2, вращающегося вместе с валам, неподвижного спрямляющего аппа­рата 3, представляющего собой ряд лопаток, расположенных радиально между двумя обечайками и диффузора 4.

Рис. 17.12. Осевой компрессор

На входе в компрессор воздух имеет осевое направление скорости. На выходе из диффузора перед лопатками рабочего колеса первой ступени скорость имеет также осевое направление. На рабочие лопатки поток набегает с относительной скоростью , .

Конфигурация межлопаточного канала рабочего колеса такова, что площадь его сечения растет от входа к выходу и дозвуковой поток тормозится от скорости до ; причем геомет­рия облопачивания обеспечивает безударный вход потока на рабо­чие лопатки. На выходе из рабочего колеса скорость скла­дывается из относительной скорости и окружной : .

После рабочего колеса воздух направляется со скоростью в спрямляющий аппарат, лопатки которого образуют также расши­ряющиеся каналы - –иффузоры и отклоняют поток воздуха в сторо­ну, обратную вращению рабочего колеса. Геометрия спрямляющей решетки такова, что обеспечивается безударный вход потока на ее лопатки, а выходная скорость имеет осевое направление, замедляясь от скорости в диффузорном канале. При течении по межлопаточным каналам спрямляющего аппарата скорость возду­ха уменьшается, а энтальпия, давление и температура возрастают.

Таким образом, течение воздуха через рабочее колесо и спрямляющий аппарат можно рассматривать как течение по системе диффузоров с увеличением абсолютной скорости, уменьшением отно­сительной скорости в рабочем колесе, уменьшением абсолютной скорости в спрямляющем аппарате и увеличением давления в обоих случаях.

Степень повышения давления воздуха в одной ступени невели­ка при окружной скорости м/с, и поэтому в реактивных двигателях применяют многоступенчатые осевые компрессора с числом ступеней . Расход воздуха через осевой компрессор значительно больше, чем в центробежном и составляет кг/с.

Его применение при небольших расходах и достаточно высокой степени повышения давления неэффективно, т.к. лопатки последних ступеней получаются весьма короткими. В этом случае используют комбинированные компрессоры, в которых первые ступени - –севые, а последние - –ентробежный компрессор.

Изменение термодинамических параметров по тракту ступени осевого компрессора аналогично центробежному. В идеальном слу­чае, когда течение воздуха по компрессору происходит без каких-либо потерь, изменение состояния воздуха происходит по адиабате . Происходит адиабатное сжатие газа, т.к. теплообменом со стенками, при скоростях движения газа в совре­менных машинах, можно пренебречь по сравнению с энергией, кото­рую несет в себе газ.

Но это сжатие не изоэнтропное, т.к. газ подогревается из-за трения, и на выходе имеет температуру , вместо для случая течения газа без трения.

Показатель политропы при сжатии с трением . Действи­тельная затрачиваемая работа при наличии трения больше теорети­ческой .

Рис. 17.13. TS-диаграмма

В результате потерь, обусловленных трением при течении возду­ха по тракту компрессора, воздух в реальном компрессоре подо­гревается за счет тепла, эквивалентного работе гидравлических сопротивлений. Поэтому процесс сжатия протекает в сторону уве­личения энтропии с (для осевых компрессо­ров на расчетном режиме , для центробежных ). Вследствие подвода тепла за счет трения увеличивается удельный объем воздуха и температура в конце сжатия. Это приводит к тому, что работа политропного сжатия воздуха при прочих равных условиях больше адиабатной работы па некоторую величину , т.е. , .

Их отношение называется адиабатическим к.п.д. , .

Соотношение между параметрами для теоретического и действительного процесса и .

Значит - учитывает потери энергии (затраченной работы), связанные с наличием только гидравлических потерь (внутренних потерь).

У существующих авиационных компрессоров величина на расчетном режиме для отдельных ступеней осевых компрессоров =0,860,90, для многоступенчатых осевых компрессоров , для центробежных одноступенчатых компрессоров .

Действительная работа

.

Рис. 17.14. Увеличение энтальпии газа

На рис. 17.14 увеличение энтальпии газа при сжатии с трением i_2д - i₁ эквивалентно пл. ba2дс. Площадь d22дс эквивалентна дополнительно затрачиваемой энергии на преодоление трения. Часть этой дополнительной энергии превращается в тепло и подогревает газ (площадь dl2дc), а часть теряется безвозвратно (площадь 122д).

Внутренняя работа компрессора l_кi, подводимая к возду­ху, всегда несколько меньше работы, затрачиваемой на привод компрессора, на величину механических потерь. Эти потери учиты­ваются механическим коэффициентом полезного действия, под кото­рым понимается отношение внутренней работы компрессора к эффек­тивной (с учетом механических потерь): .

Для современных центробежных и осевых компрессоров .

Все потери энергии в компрессоре (как механические, так и внутренние) учитываются общим, или эффективным к.п.д. , под которым понимается отношение адиабатной работы компрессора к эффективной : .

Эффективность компрессоров нельзя оценивать значением обычного энергетического к.п.д., представляющего собой отношение энергии, приобретаемой газом, к энергии, затрачиваемой на про­ведение компрессорного процесса.

Например, энергетический к.п.д. процесса в применении к изотермическому процессу ( ) дает  = 0. Однако, ранее было доказано, что из всех возможных типов компрессорных процессов наименьшей затраты энергий тре­бует изотермический процесс. А отсюда оказывается крайне невыгод­ным.

Оценивать величину энергии, получаемой газом в компрессор­ном процессе, изменением его энтальпии не имеет смысла, т.к. при сохранении постоянства энтальпии способность газа произво­дить работу возрастает.

Зная величину эффективного к.п.д. можно определить потреб­ную мощность компрессора при заданном расходе воздуха и известной величине адиабатной работы: .

Величина мощности, потребляемой авиационными компрессорами, весьма велика и составляет примерно от 10000 до 45000 кВт и более.

Таблица 17.1

Некоторые показатели различных групп компрессоров

Тип компрессора	Производительность, м3/мин		Степень повышения давления	К.п.д.
Поршневые	200		2-10000	0,75-0,85
Роторные	3000		До 3-10	0,65-0,75
Лопастные:
Центробежные	50-3000		15-20	0,75-0,85
Осевые	300-10000		8-10	0,85-0,95
Струйные	-		4-5	0,15-0,45