14. Характеристики турбокомпресорів.

Турбокомпресори є динамічними машинами, які створюють напір шляхом передачі кількості рухів рухомої крильчатки газу. Відомі два основних типи турбокомпресорів: відцентрові і осьові. Відцентровий компресор працює практично так само як і відцентровий насос, в якому рідина відкидається в радіальному напрямку до стінки корпуса, звідки відводиться назовні. Осьовий компресор переміщає газ в напрямку, паралельному валу, через ряд турбінних лопаток, як і в реактивному двигуні. Як видно з рисунків 4.5 і 4.6, компресори цих двох типів мають суттєво різні характеристики витрати.

Відцентрові компресори найкраще використовувати в тих випадках, коли необхідний постійний напір, в той час як осьові компресори більш придатні для підтримки постійної витрати при змінному тиску. Діапазон витрат відцентрового компресора ширший, ніж осьового, але робочі характеристики обох обмежені зоною нестійкої роботи, яка наступає при пониженні витрати.

На границі цієї зони характеристика турбокомпресора тиск - витрата міняє нахил і стає характеристикою нестійкої роботи. По мірі зменшення витрати тиску напір падає, що викликає подальше зниження витрати і тиску. Коли тиск стає нижче тиску в нагнітальному трубопроводі, відбувається миттєва зміна напрямку потоків, і тиск в нагнітальному трубопроводі починає падати. Це викликає потребу в збільшенні витрати, яке знову призводить до зменшення напрямку потоку. Такі коливання будуть продовжуватися доти, доки не буде прикладенорегулюючу дію, яка виведе компресор з зони нестійкої роботи, або доки не виникне аварія.

Рис.4.5. Характеристики напір - витрата відцентрового компресора

Рис.4.6. Характеристики напір - витрата осьового компресора

Щоб компресор працював не в зоні "помпажу", необхідно забезпечити достатньо велику витрату навіть при низькій витраті газу. Цю витрату можна забезпечити шляхом повторної подачі охолодженого стиснутого газу в лінію всмоктування через пропускний всмоктуючий клапан. В повітряному компресорі, який всмоктує атмосферне повітря, надлишок витрати стиснутого повітря можна викидати прямо в атмосферу. Однак рециркуляція і викид ватмосферу пов'язані з втратами енергії, тому слід максимально обмежити таке регулювання.

Привід з регулюючою частотою обертів значно розширяє робочий діапазон компресора, і такий привід слід використовувати, якщо відомо, що умови роботи будуть змінюватися в широких межах. В загальному, при заданому тиску витрата змінюється лінійно в залежності від частоти обертів. Однак при турбулентному режимі тиск пропорційний квадрату витрати, а значить квадрату частоти обертів. Ця залежність обмежує можливість зниження частоти обертів компресорів на 20 чи 30% від верхнього значення.

Коли б адіабатичний к.к.д. компресора був постійним, то потужність була б пропорційна приведеній витраті і тиску. З врахуванням вище вказаних залежностей витрати і тиску від частоти обертів потужність в цьому випадку має бути пропорційна кубічній частоті обертів. Однак згідно рівняння (4.12), адіабатичний к.к.д. дещо зменшується при підвищенні ступеня стиску, і спотворює кубічну залежність. Фактично потужність, яка споживається, залежить від характеру технологічного процесу і потреб для його регулювання, наприклад, підтримка постійного тиску, постійної витрати чи комбінації цих двох параметрів. Якщо частота обертів не регулюється, то застосовується дроселювання всмоктуючого потоку, з допомогою вхідних направляючих лопаток. Лопатки не тільки знижують тиск всмоктування, а значить, витрату і (чи) тиск нагнітання, але і повідомляють обертальний рух газовому потоку. Простий всмоктуючий клапан цього не забезпечує і, значить, не є таким ефективним дросельним пристроєм. Характеристики відцентрового компресора з постійною частотою обертів і регулюючими направляючими лопатками подано на рис.4.7. Еванс [2(с.59)] вказує, що відцентровий компресор, який регулюється шляхом дроселювання потоку з допомогою направляючого апарату, при 70% витраті споживає близько 72% потужності, в той час коли при дроселюванні потоку в всмоктуючому клапані потрібно близько 75% потужності. В свою чергу при регулюванні частоти обертів потрібно всього лише 68% потужності при тій же загрузці.

Рис.4.7. Характеристика напір - регулювання відцентрового компресора.

При порівняння кривих, показаних на рис.4.5 і 4.7, бачимо, що регулювання з допомогою направляючих лопаток, розширює діапазон витрат в порівнянні з регулюванням частоти обертів. Однак на практиці робочий діапазон залежить також від параметрів технологічного процесу. Регулювання частоти обертів вважають кращим з точки зору економії енергії при понижених загрузках, а дроселювання з допомогою направляючих апаратів може розглядатися як можливий варіант.

Осьові компресори виготовляються з регулюючими направляючими лопатками статора, розміщеними між рядами лопаток ротора [4]. Вони дозволяють практично вдвічі зменшити робочі параметри, які досягаються тільки шляхом регулювання частоти обертів. При зменшенні кута встановлення лопаток статора границя "помпажу" зсувається до менших значень витрати і тиску майже так, як і при використанні направляючих лопаток відцентрового компресора.

Дроселювання всмоктуючого потоку зменшує витрату завдяки зменшенню тиску всмоктування. Слід зауважити, що по осі абсцис графіка характеристик компресора відкладена об'ємна витрата, приведена до умов всмоктування. Закриття всмоктуючого клапану не змінює об'ємну витрату на вході, але буде зменшувати витрату стиснутого потоку.

Розглянемо роботу компресора (рис.4.7) на лінії "помпажу" при куті встановлення лопаток 30° : підвищення тиску складає 82,6%, а об'ємна витрата 37,7%. За цих умов ступінь стиску буде рівний:

де: рr-розрахункове підвищення тиску для даної машини.

Якщо б замість цього використовувалось дроселювання з допомогою всмоктую- чого клапану, то характеристика компресора була б представлена однією кривою, відповідному куту встановлення лопаток 90°. Мінімальна витрата на цій кривій досягається при розрахунковому підвищенні тиску до 104%, так що:

де: р_s-тисквсмоктування за дросельним вентилем.

Тиск всмоктування, відповідно підвищенню тиску до 82,6%, можна знайти шляхом прирівнювання двох останніх нерівностей:

Тоді мінімальна витрата при дроселюванні всмоктуючого потоку, віднесена до номінального тиску на вході, р1 складе:

Для компресора, характеристика якого приведена на рис.4.7, розрахункові значення тиску всмоктування і нагнітання складають 0,083 і 0,128 МПавідповідно. Таким чином маємо:

Тоді:

Цей приклад показує, що дроселювання з допомогою всмоктуючого клапана не дозволяє розширити робочий діапазон в тій мірі, в якій це можливо при регулюванні з допомогою направляючих лопаток. Дроселювання з допомогою нагнітаючого клапану взагалі не дозволяє відхилитися від кривої максимальної продуктивності. Таким чином мінімально можлива витрата у вказаному прикладі складе 50%, в той час коли при дроселюванні з допомогою всмоктуючого клапану вона буде рівна 46,3%, а при дроселюванні з допомогою направляючого пристрою 37,7%. Більше того, втрата потужності при дроселюванні нагнітаючого потоку вище, ніж при всіх інших способах регулювання. Тому дроселювання на виході рідко використовується для регулювання компресорів.