Потери, кпд и мощность турбокомпрессора

Потери в компрессоре подразделяются на внутренние Δl_внт и внешние Δl_внш .

Внутренние потери определяют совершенство процессов преобразования энергии в элементах проточной части, они вызывают изменения состояния газа (давления, температуры, плотности). К внутренним потерям относится диссипированная энергия (т.е. энергия, переходящая в теплоту в результате трения и других потерь), обусловленная гидравлическими сопротивлениями, т.е. потери, сопутствующие движению газа по проточной части нагнетателя и называемые гидравлическими ΔL_г., потери на трение дисков ΔL_тр и потери от внутренних протечек ΔL_пр. В термодинамических расчетах компрессора определяют следующие гидравлические потери:

ΔL_г = ΔL_вх + ΔL_вых + ,

где ΔL_вх , ΔL_вых – потери во входных и выходных устройствах; - сумма потерь в ступенях компрессора; - сумма потерь в теплообменниках охлаждаемых компрессоров.

Дисковые потери ΔL_тр определяются затратой работы трения в области наружных поверхностей вращающихся дисков компрессора в среде сжатого газа. Потери от внутренних протечек также вызваны затратой работы на сжатие, газа, перетекающего в щелях между вращающимися и неподвижными элементами. В компрессоре различаются утечки газа в щелях между вращающимся рабочим аппаратом и корпусом, утечки газа между направляющим аппаратом и валом. Для уменьшения утечек газа обычно применяются уплотнения лабиринтового типа (рис. 8.4).

Работа лабиринтового уплотнения основана на использовании дросселирования газа через группу последовательно расположенных щелей и камер. В щели потенциальная энергия газа частично преобразуется в кинетическую, а в камере кинетическая энергия потока преобразуется в основном в тепловую энергию из-за потерь на вихреобразование и трение. В специальных компрессорах применяются другие типы бесконтактных уплотнений.

Внешние потери ΔL_внш подразделяются на механические ΔL_мех, вызванные затратой работы на преодоление трения в опорных и упорном подшипниках; потери от внешних утечек газа ΔL_ут через концевые уплотнения вращающегося вала и корпуса компрессора, также обусловленные затратой работы; вспомогательные ΔL_всп, связанные с расходом энергии на привод масляного насоса, регулятора и др., если они приводятся в движение от вала компрессора.

При учете всех потерь энергии, в том числе от внешних утечек газа, приводящих к различию массового расхода на входе и выходе компрессора, необходимо оперировать с отношениями соответствующих мощностей.

Полезная мощность находится по формуле N= mL, где L - полезная работа компрессора, определяемая в зависимости от процессов сжатия политропного, адиабатного или изотермного, кДж/кг; т - массовый расход газа, кг/с, через лопаточный аппарат компрессора.

Внутренняя мощность одноцилиндрового компрессора, передаваемая потоку от ротора и идущая на создание внутренней энергии, N_i = m L_i.

Мощность, потребляемая собственно компрессером, N_к = N_i + N_мех, где N_мех - мощность, расходуемая на преодоление механических потерь.

Мощность на валу N_в = N_к + N_всп, где N_всп - мощность, расходуемая на привод вспомогательных механизмов, когда они приводятся от вала компрессора.

Мощность, подведенная к двигателю компрессора (располагаемая мощность двигателя), N_дв = N_в / η_дв η_пер, где η_дв и η_пер ^- КПД двигателя и передачи.

В соответствии с видами потерь в компрессоре различаюттри группы КПД: внутренние - для оценки внутренних потерь, внешние - для оценки внешних потерь и полные - для оценки внутренних и внешних потерь.

Внутренние КПД, выражаемые через мощности компрессоров, равны:

η_пол = N_пoл /N_i ; η_ад = N_ад /N_i ; η_из = N_из /N_i, где N_пoл, N_ад, N_из - мощности соответственно для политропного, адиабатного и изотермного процессов. КПД адиабатный и изотермный соответственно составляют η_ад = 0,6 - 0,85; η_из = 0,5 - 0,85.

Внешние КПД. Механический КПД компрессора

η_мех = N_i /N_к = 1-N_мех / N_к.

Коэффициент утечек по нагнетанию: η_ут = (N - N_ут ) / N, где N_ут = m_ут L - потери полезной мощности компрессора из-за утечек газа через концевое уплотнение вала. Коэффициент вспомогательных механизмов

η_всп = N_к /N_в = N_к / (N_к.+ N_всп ) = 1- N_всп / N_в.,

где N_в = N_к.+ N_всп = N_i.+ N_мех.+ N_всп.

Полный КПД

η = (N - N_ут ) / N_в = (N / N_i ) (N_i / N_к ) (N_к / N_в ) (N - N_ут ) / N = η_i η_мех η_всп η_ут.

Для турбокомпрессора η_мех = 0,98 – 0,99. η_ут = 0,96 – 0,99. Для компрессоров средней и большой мощности η_всп = 1. КПД зубчатой передачи η_пер = 0,98 – 0,99.