Основные показатели и область применения турбокомпрессоров

Динамические компрессоры – компрессоры, в которых рабочий процесс осуществляется путем динамического воздействия на непрерывный поток сжимаемого газа. Их можно разделить на лопастные – турбокомпрессоры, компрессоры трения (вихревые, струйные) и комбинированные.

Турбокомпрессоры – компрессоры динамического действия, в котором воздействие на поток сжимаемого газа осуществляется вращающимися решетками лопаток. К турбокомпрессорам относят:

Радиальные компрессоры – турбокомпрессоры, в которых поток во вращающихся решетках лопаток в меридиональной плоскости имеет в основном радиальное направление.

Центробежные – турбокомпрессоры, где поток во вращающихся решетках лопаток в меридиональной плоскости направлен от центра к переферии.

Центростремительные – турбокомпрессор, где поток … направлен от переферии к центру.

Осевой компрессор – турбокомпрессор, где поток … направлен в основном вдоль оси.

Диагональный – турбокомпрессор, где поток … имеет направление между радиальным и осевым.

В компрессорах трения газы перемещаются за счет сил трения между рабочими органами насоса и газом (вихревые) или между струей рабочего газа и перекачиваемого газа. К ним относят:

Вихревые компрессоры – динамические компрессоры трения с многократной циркуляцией сжимаемого газа через вращающуюся решетку лопаток.

Струйные компрессоры – компрессоры динамического действия трения, где воздействие на поток сжимаемого газа осуществляется потоком с большей удельной энергией.

Полным напором компрессора является величина приращения энергии потока в компрессоре – это разность напора на выходе и входе (рис. 1):

H_п = (z₂-z₁)+(p₂V₂-p₁V₁)+ = E_п+E_давл+E_к.

Рис. 1. Схема баланса энергии в компрессорной установке

Применительно к динамическим компрессорам напор определяется по уравнению Эйлера:

H =

или при c_2u = 0

H_max = . Введя соотношение φ₂ = получим для компрессора с бесконечным числом лопаток H = .

Если учесть число лопаток:

φ₂ = k_z - ctgβ₂, k_z = 1 - sinβ₂, то получим уравнение напора:

H = (k_z - ctgβ₂).

Расход газа из колеса центробежного компрессора составляет:

Q = (πD₂b-zS)c_2r,

где z – число лопастей; D₂ – диаметр колеса; b – ширина канала на выходе из колеса; S – толщина лопатки на выходе; c_2r – скорость расхода газа из рабочего колеса.

Вводя коэффициент стеснения τ₂ за счет торцевой площади лопаток, учитывая коэффициент сжимаемости газа k_v2 = , получим:

Q = πτ₂k_v2bD₂c_2r = πτ₂ k_v2 D²₂u₂.

Учитывая, что u₂ = , получим:

Q = τ₂k_v2 D³n.

Из этого следует, что для повышения расхода надо увеличивать отношение и частоту вращения n.

Отношение давлений на выходе и входе компрессора – степень сжатия: ε = . В общем случае для политропного процесса: ε = ()², где n – показатель политропы (pVⁿ = const). Откуда ε = ()^n/n-1. Для многоступенчатых компрессоров ε_Σ = ε^m_i = ()^m. В современных компрессорах для одной ступени ε_i ≤ 5…5.5, так как при увеличении ε уменьшается объемный к.п.д. и повышается температура, которая не должна превышать температуры вспышки масла T_всп = 220…240 °C. Из уравнения ε = ()^n/n-1 температура газа в конце нагнетания (температура компримирования) составляет T₂ = T₁()^n/n-1 = T₁ε ^n/n-1.

Удельная работа при сжатии газов зависит от вида процесса, протекающего в компрессии. В общем случае различают 3 процесса при компримировании (на основе уравнения Клапейрона: pV = RT):

1. Изотермный (рис. 1) – характеризуется T=const, dT = 0 → pV = const. Количество работы при сжатии: A^из_уд = - = RTInV = RTIn = p₁V₁In . Количество тепла при этом: q = - (S₁-S₂). При изотермическом процессе механическая работа равна количеству выделенного тепла: A_уд = q_изот.

Рис. 2. Изотермный про­цесс сжатия газа:

а — в координатах р — υ, б — в координатах Т—s

2. Адиабатный – тепло выделяется, но из системы не отводится (рис. 3): dg = TdS = 0. Значит, энтропия dS = = 0. Удельная работа при этом A^ад_уд = (T₂-T₁) = (p₂V₂-p₁V₁), где k = – показатель адиабаты; c_p и c_V – теплоемкость газа при p = const и V = const.

Рис. 3. Адиабатный про­цесс сжатия газа:

а - в координатах р - υ; б — в координатах Т – s

3. Политропный – процесс, при котором изменяется температура и происходит теплообмен (dq ≠ 0). Уравнение политропы: pVⁿ = const, где n – показатель политропы. По аналогии с адиабатным процессом A^пол_уд = (p₂V₂-p₁V₁) = (T₂-T₁). Показатель политропы: n = . Политропный процесс может быть осуществлен как с подводом тепла (холодные компрессоры) – при n > k (линия 1-2’, рис. 4), так и с отводом тепла (обычные компрессоры) – при n < k (линия 1-2, рис. 4). При n < k энтропия уменьшается (q < 0); при n > k энтропия увеличивается (q > 0).

Рис. 4 Политропный про­цесс сжатия газа:

а — в координатах р—υ; б — в ко­ординатах Т —s;

Теоретическая мощность компрессора составляет: N = A_удQ. При этом A_уд = A^BC+А^CV+A^H, где A^BC – удельная работа всасывания (A^BC = -p₁V₁); А^CV – удельная работа сжатия (А^CV = - ); A^H – удельная работа нагнетания (A^H = p₂V₂).

К.п.д. роторных компрессоров определяется так η = , где N_g – действительная мощность; N – теоретическая мощность. N_D = N+ΔN, где ΔN = ΔN_о+ ΔN_г ΔN_м – дополнительные затраты мощности. η = η_гη_оη_м, где η_о = = 1 - – объемный к.п.д. (0.85…0.95); η_г = = 1 - – газодинамический к.п.д. (0.8…0.9); η_м = – механический к.п.д. (0.7…0.85).

Наиболее экономным процессом сжатия газов является изотермный (dT = 0), наиболее экономный политропный с подводом тепла dq > 0. Поэтому при работе компрессора с 1 < n < k стремятся приблизить процесс к изотермному: n →1. При подводе тепла с n > k стремится к адиабатному: n → k.

Экономичность процессов сжатия характеризуется следующими к.п.д.:

1. изотермный: η_из = ;

2. адиабатный: η_ад = .