Центробежный компрессор - Centrifugal compressor

Центробежный компрессор работает как крыльчатка центробежного насоса.

Крыльчатка центробежного компрессора

Врезка с реактивным двигателем, показывающая центробежный компрессор и другие детали

Центробежные компрессоры , иногда называемые радиальными компрессорами , представляют собой подкласс динамических осесимметричных турбомашин с амортизацией работы .

Они достигают повышения давления за счет добавления кинетической энергии / скорости к непрерывному потоку жидкости через ротор или рабочее колесо . Эта кинетическая энергия затем преобразуется в увеличение потенциальной энергии / статического давления за счет замедления потока через диффузор. Повышение давления в крыльчатке в большинстве случаев почти равно повышению давления в диффузоре.

Теория Операции

В случае, когда поток проходит через прямую трубу и входит в центробежный компрессор, поток является осевым, однородным и не имеет завихренности, то есть вихревого движения. Когда поток проходит через центробежную крыльчатку, крыльчатка заставляет поток вращаться быстрее, поскольку он удаляется от оси вращения. Согласно форме уравнения гидродинамики Эйлера , известному как уравнение насоса и турбины , подводимая к жидкости энергия пропорциональна локальной скорости вращения потока, умноженной на местную тангенциальную скорость рабочего колеса .

Во многих случаях поток, покидающий центробежное рабочее колесо, движется со скоростью, близкой к скорости звука . Затем он проходит через стационарный компрессор, замедляя его. Стационарный компрессор имеет увеличивающуюся площадь проходного сечения, в которой происходит преобразование энергии. Если поток необходимо повернуть в обратном направлении, чтобы попасть в следующую часть машины, например, в другую крыльчатку или камеру сгорания, потери потока можно уменьшить, направляя поток с помощью неподвижных поворотных лопаток или отдельных поворотных труб (трубчатых диффузоров). Как описано в принципе Бернулли , уменьшение скорости вызывает повышение давления.

Исторический вклад, пионеры

За последние 100 лет ученые-прикладники, в том числе Стодола (1903, 1927–1945), Пфлейдерер (1952), Хоторн (1964), Шепард (1956), Лакшминараяна (1996) и Джапикс (многие тексты, включая цитаты), воспитали молодых инженеры по основам турбомашиностроения. Это понимание применимо ко всем динамическим, проточным, осесимметричным насосам, вентиляторам, нагнетателям и компрессорам в осевой, смешанной и радиально-центробежной конфигурациях.

Эта взаимосвязь является причиной того, что достижения в области турбин и осевых компрессоров часто находят свое применение в других турбомашинах, включая центробежные компрессоры. На рисунках 1.1 и 1.2 показана область турбомашин с этикетками с изображением центробежных компрессоров. Усовершенствования центробежных компрессоров не были достигнуты за счет крупных открытий. Скорее, улучшения были достигнуты за счет понимания и применения дополнительных знаний, обнаруженных многими людьми.

Рисунок 1.1 представляет собой аэро - термо область турбомашин. По горизонтальной оси отложено уравнение энергии, полученное из Первого закона термодинамики . Вертикальная ось, которую можно охарактеризовать числом Маха, представляет диапазон сжимаемости (или упругости) жидкости. Ось Z, которую можно охарактеризовать числом Рейнольдса , представляет диапазон вязкости жидкости (или липкости). Математики и физики, заложившие основы этой области аэротермо, включают: Исаак Ньютон , Даниэль Бернулли , Леонард Эйлер , Клод-Луи Навье , Джордж Стокс , Эрнст Мах , Николай Егорович Жуковский , Мартин Кутта , Людвиг Прандтль , Теодор фон Карман , Пол Ричард Генрих Блазиус и Анри Коанда .

Рисунок 1.2 представляет физическую или механическую область турбомашинного оборудования. Опять же, горизонтальная ось представляет уравнение энергии с турбинами, вырабатывающими энергию слева, и компрессорами, потребляющими энергию справа. В физической области вертикальная ось различает высокие скорости и низкие скорости в зависимости от применения турбомашинного оборудования. Ось Z различает геометрию осевого потока и геометрию радиального потока в физической области турбомашинного оборудования. Подразумевается, что смешанные турбомашины расположены между осевым и радиальным. Ключевые участники технических достижений, которые продвинули вперед практическое применение турбомашин, включают: Денис Папен , Кернелиен Ле Демур, Даниэль Габриэль Фаренгейт , Джон Смитон, доктор ЭЙС Рато, Джон Барбер , Александр Саблуков , сэр Чарльз Алджернон Парсонс , Эгидиус Эллинг , Сэнфорд Александр Мосс , Уиллис Кэрриер , Адольф Буземанн , Герман Шлихтинг , Франк Уиттл и Ганс фон Охайн .

Рисунок 1.1 - Аэротермобласть турбомашинного оборудования.
Рисунок 1.2 - Физическая область турбомашинного оборудования

Частичная временная шкала

<1689	Ранние турбомашины	Насосы, нагнетатели, вентиляторы
1689	Денис Папин	Происхождение центробежного компрессора
1754	Леонард Эйлер	Уравнение Эйлера «Насос и турбина»
1791	Джон Барбер	Первый патент на газовую турбину
1899 г.	ACE Rateau	Первый практичный центробежный компрессор
1927 г.	Аурел Болеслав Стодола	Формализованный «коэффициент скольжения»
1928 г.	Адольф Буземанн	Полученный "коэффициент скольжения"
1937 г.	Фрэнк Уиттл и Ханс фон Охайн, независимо	Первая газовая турбина с центробежным компрессором
> 1970 г.	Современные турбомашины	3D-CFD, ракетные турбонасосы, сердечные насосы, топливные элементы с турбонаддувом

Сходства турбомашин

Центробежные компрессоры во многом похожи на другие турбомашины и сравниваются и противопоставляются следующим образом:

Сходства с осевым компрессором

В разрезе показана газовая турбина с аксицентробежным компрессором

Центробежные компрессоры похожи на осевые компрессоры в том, что они представляют собой ротационные компрессоры на основе крыльев. Оба показаны на фотографии рядом с двигателем с 5 ступенями осевого компрессора и одной ступенью центробежного компрессора. Первая часть центробежного рабочего колеса очень похожа на осевой компрессор. Эта первая часть центробежного рабочего колеса также называется индуктором . Центробежные компрессоры отличаются от осевых, поскольку в них используется значительное изменение радиуса от входа до выхода рабочего колеса для создания гораздо большего повышения давления на одной ступени (например, 8 в серии вертолетных двигателей Pratt & Whitney Canada PW200 ), чем в осевых. сцена. Немецкий экспериментальный двигатель Heinkel HeS 011 1940-х годов был первым авиационным турбореактивным двигателем, у которого была ступень компрессора с радиальным поворотом потока на полпути между отсутствием осевого вращения и 90 градусов для центробежного двигателя. Он известен как компрессор смешанного / диагонального потока. Диагональная ступень используется в малых турбовентиляторах Pratt & Whitney Canada PW600 .

Центробежный вентилятор

Низкоскоростной центробежный компрессор низкого давления или центробежный вентилятор с восходящим выпускным конусом, используемым для рассеивания скорости воздуха.

Короткозамкнутый вентилятор , без выпускного диффузора

Центробежные компрессоры также похожи на центробежные вентиляторы типа, показанного на соседнем рисунке, поскольку они оба увеличивают энергию потоков за счет увеличения радиуса. В отличие от центробежных вентиляторов, компрессоры работают на более высоких скоростях, чтобы создать большее давление. Во многих случаях инженерные методы, используемые для проектирования центробежных вентиляторов, аналогичны методам проектирования центробежных компрессоров, поэтому они могут выглядеть очень похожими.

Это соотношение менее верно по сравнению с вентилятором с короткозамкнутым ротором, показанным на прилагаемом рисунке.

В целях обобщения и определения можно сказать, что центробежные компрессоры часто имеют увеличение плотности более чем на 5 процентов. Кроме того, они часто испытывают относительные скорости жидкости выше числа Маха 0,3, когда рабочей жидкостью является воздух или азот. Напротив, у вентиляторов или нагнетателей часто считается, что плотность увеличивается менее чем на пять процентов, а максимальная относительная скорость жидкости ниже 0,3 Маха.

Центробежный насос

Трехмерная твердотельная модель центробежного насоса.

Врезка центробежного насоса

Центробежные компрессоры также похожи на центробежные насосы типа, показанного на соседних рисунках. Ключевое различие между такими компрессорами и насосами заключается в том, что рабочая жидкость компрессора представляет собой газ (сжимаемый), а рабочая жидкость насоса - жидкость (несжимаемая). Опять же, инженерные методы, используемые при проектировании центробежного насоса, такие же, как и при проектировании центробежного компрессора. Тем не менее, есть одно важное отличие: необходимость иметь дело с кавитацией в насосах.

Радиальная турбина

Центробежные компрессоры также очень похожи на их турбомашинный аналог радиальной турбины, как показано на рисунке. В то время как компрессор передает энергию потоку для повышения его давления, турбина работает в обратном направлении, отбирая энергию из потока, тем самым снижая его давление. Другими словами, мощность подается на компрессоры и выводится из турбин.

Турбомашины с центробежными компрессорами

Здесь приведен неполный список турбомашин, которые могут использовать один или несколько центробежных компрессоров внутри машины.

Компоненты простого центробежного компрессора

Простой центробежный компрессор состоит из четырех компонентов: входа, крыльчатки / ротора, диффузора и коллектора. На рис. 3.1 показан каждый из компонентов проточного тракта, при этом поток (рабочий газ) входит в центробежное рабочее колесо в осевом направлении справа налево. В результате вращения крыльчатки по часовой стрелке, если смотреть вниз по потоку в компрессор, поток будет проходить через выпускной конус улитки, удаляясь от зрителя фигуры.

Рисунок 3.1 - Вид турбонагнетателя в разрезе, показывающий центробежный компрессор (синий) на правом конце ротора.

Вход

Вход в центробежный компрессор обычно представляет собой простую трубу. Он может включать такие элементы, как клапан, неподвижные лопатки / аэродинамические поверхности (используемые для закрутки потока), а также приборы для измерения давления и температуры. Все эти дополнительные устройства имеют важное применение в управлении центробежным компрессором.

Центробежная крыльчатка

Ключевым компонентом, который делает компрессор центробежным, является центробежное рабочее колесо, рис. 0.1, которое содержит набор вращающихся лопаток (или лопастей), которые постепенно увеличивают энергию рабочего газа. Это идентично осевому компрессору, за исключением того, что газы могут достигать более высоких скоростей и уровней энергии за счет увеличения радиуса рабочего колеса. Во многих современных высокоэффективных центробежных компрессорах газ, выходящий из рабочего колеса, движется со скоростью, близкой к скорости звука.

Рабочие колеса имеют множество конфигураций, включая «открытые» (видимые лопасти), «закрытые или закрытые», «с разделителями» (все остальные индукторы удалены) и «без разделителей» (все полные лопатки). На обоих рисунках 0.1 и 3.1 показаны открытые рабочие колеса с разделителями. В большинстве современных высокоэффективных крыльчаток используется форма лопастей "обратного хода".

Уравнение насоса и турбины Эйлера играет важную роль в понимании характеристик рабочего колеса.

Диффузор

Следующим ключевым элементом простого центробежного компрессора является диффузор. После рабочего колеса на пути потока диффузор должен преобразовывать кинетическую энергию (высокую скорость) газа в давление путем постепенного замедления (диффузии) скорости газа. Диффузоры могут быть безлопаточными, лопастными или комбинированными. Высокоэффективные лопастные диффузоры также имеют широкий диапазон значений плотности от менее 1 до более 4. Гибридные версии лопастных диффузоров включают: клиновые, канальные и трубчатые диффузоры. Некоторые турбокомпрессоры не имеют диффузора.

Принцип гидродинамики Бернулли играет важную роль в понимании характеристик диффузора.

Коллекционер

Коллектор центробежного компрессора может принимать разные формы и формы. Когда диффузор выходит в большую пустую камеру, коллектор можно назвать пленумом . Когда диффузор разряжается в устройство, которое чем-то похоже на раковину улитки, бычий рог или валторну, коллектор, вероятно, будет называться спиралью или свитком . Как следует из названия, коллектор предназначен для сбора потока из выпускного кольцевого пространства диффузора и подачи этого потока в трубу, расположенную ниже по потоку. Коллектор или труба также могут содержать клапаны и приборы для управления компрессором.

Приложения

Ниже приводится частичный список применений центробежных компрессоров, каждое с кратким описанием некоторых общих характеристик, которыми обладают эти компрессоры. В начале этого списка перечислены два наиболее известных применения центробежных компрессоров; газовые турбины и турбокомпрессоры.

Рисунок 4.1 - Разрез реактивного двигателя, показывающий центробежный компрессор и другие детали.

Рисунок 4.2 - Разрез реактивного двигателя, показывающий центробежный компрессор и другие детали.

В газовых турбинах и вспомогательных энергоблоках. Ref. Рисунки 4.1–4.2
В своей простой форме современные газовые турбины работают по циклу Брайтона. (См. Рисунок 5.1) Для обеспечения сжатия используются осевой и центробежный компрессоры или оба. Типы газовых турбин, которые чаще всего включают в себя центробежные компрессоры, включают небольшие авиационные двигатели (то есть турбовальные, турбовинтовые и турбовентиляторные двигатели), вспомогательные силовые установки и микротурбины. Отраслевые стандарты, применяемые ко всем центробежным компрессорам, используемым в самолетах, устанавливаются соответствующими гражданскими и военными сертификационными органами для обеспечения безопасности и долговечности, необходимых при эксплуатации. Центробежные рабочие колеса, используемые в газовых турбинах, обычно изготавливаются из поковок из титанового сплава. Их лопасти с проточным каналом обычно фрезерованы по бокам или с точечным фрезерованием на 5-осевых фрезерных станках. Когда рабочие зазоры должны быть как можно меньше, чтобы рабочее колесо не трулось о его кожух, рабочее колесо сначала вытягивают с его высокотемпературной, высокоскоростной изогнутой формой, а затем вытягивают в эквивалентной холодной статической форме для изготовления. Это необходимо, потому что прогиб крыльчатки в самых тяжелых условиях работы может быть в 100 раз больше, чем требуемый зазор при работе в горячем состоянии между крыльчаткой и ее кожухом.

В турбокомпрессорах и нагнетателях автомобильных и дизельных двигателей . Ref. Рисунок 1.1.
Центробежные компрессоры, используемые в сочетании с поршневыми двигателями внутреннего сгорания, известны как турбонагнетатели, если приводятся в действие выхлопными газами двигателя, и турбонагнетатели, если приводятся в движение двигателем механически. Стандарты, установленные промышленностью для турбокомпрессоров, могли быть установлены SAE . Идеальные свойства газа часто хорошо подходят для проектирования, испытаний и анализа производительности центробежного компрессора турбонагнетателя.

В трубопроводах компрессоров из природного газа для перемещения газа от места производства до потребителя.
Центробежные компрессоры для таких целей могут быть одно- или многоступенчатыми и приводиться в действие большими газовыми турбинами. Стандарты, установленные в отрасли (ANSI / API, ASME), позволяют создавать толстые оболочки для достижения необходимого уровня безопасности. Рабочие колеса часто, если не всегда, имеют закрытый вид, что делает их похожими на рабочие колеса насоса. Этот тип компрессора также часто называют API-стилем . Мощность, необходимая для привода этих компрессоров, чаще всего составляет тысячи лошадиных сил (л.с.). Использование свойств реального газа необходимо для надлежащего проектирования, испытаний и анализа производительности центробежных компрессоров для трубопроводов природного газа.

На нефтеперерабатывающих , газоперерабатывающих , нефтехимических и химических заводах .
Центробежные компрессоры для таких целей часто бывают одновальными, многоступенчатыми и приводятся в действие большими паровыми или газовыми турбинами. Их корпуса называются горизонтально разделенными, если ротор опускается в нижнюю половину во время сборки, или цилиндр, если он не имеет продольной линии разделения, когда ротор вставляется внутрь. Стандарты, установленные промышленностью (ANSI / API, ASME) для этих компрессоров в результате получаются толстые оболочки для достижения необходимого уровня безопасности. Рабочие колеса часто бывают закрытыми, что делает их похожими на рабочие колеса насоса. Этот тип компрессора также часто называют стилем API . Мощность, необходимая для привода этих компрессоров, обычно составляет тысячи л.с. Использование свойств реального газа необходимо для правильного проектирования, тестирования и анализа их характеристик.

Кондиционирование и охлаждение и HVAC : Центробежные компрессоры довольно часто обеспечивают сжатие в циклах водяных чиллеров .
Из-за большого разнообразия циклов сжатия пара ( термодинамический цикл , термодинамика ) и большого разнообразия рабочих газов ( хладагентов ) центробежные компрессоры используются в широком диапазоне размеров и конфигураций. Использование реальных свойств газа необходимо для правильного проектирования, тестирования и анализа производительности этих машин. Стандарты, установленные промышленностью для этих компрессоров, включают ASHRAE, ASME и API.

В промышленности и производстве для подачи сжатого воздуха для всех типов пневматических инструментов .
Центробежные компрессоры для таких целей часто бывают многоступенчатыми и приводятся в действие электродвигателями. Промежуточное охлаждение часто требуется между ступенями для контроля температуры воздуха. Дорожно-ремонтные бригады и автомастерские считают, что винтовые компрессоры лучше подходят для их нужд. Стандарты, установленные промышленностью для этих компрессоров, включают ASME и правительственные постановления, в которых особое внимание уделяется безопасности. Идеальные газовые отношения часто используются для правильного проектирования, тестирования и анализа производительности этих машин. Уравнение Карриера часто используется для определения влажности.

В воздухоразделительных установках для производства очищенных конечных газов.
Центробежные компрессоры для таких целей часто бывают многоступенчатыми, в которых используется промежуточное охлаждение для контроля температуры воздуха. Стандарты, установленные промышленностью для этих компрессоров, включают ASME и правительственные постановления, в которых особое внимание уделяется безопасности. Идеальные газовые соотношения часто используются для правильного проектирования, тестирования и анализа производительности этих машин, когда рабочим газом является воздух или азот. Для других газов требуются реальные свойства газа.

На нефтяных месторождениях закачка природного газа под высоким давлением для повышения нефтеотдачи.
Центробежные компрессоры для таких целей часто бывают одновальными, многоступенчатыми и приводятся в действие газовыми турбинами. При давлении нагнетания, приближающемся к 700 бар, кожух цилиндрического типа. Стандарты, установленные промышленностью (API, ASME) для этих компрессоров, приводят к созданию толстых корпусов большого размера для обеспечения максимальной безопасности. Рабочие колеса часто, если не всегда, имеют закрытый вид, что делает их похожими на рабочие колеса насоса. Этот тип компрессора также часто называют стилем API . Использование реальных свойств газа необходимо для правильного проектирования, тестирования и анализа их характеристик.

Представление

Рисунок 5.1 - Иллюстрация цикла Брайтона применительно к газовой турбине.

Рисунок 5.2 - Пример карты производительности центробежного компрессора.

На рисунке 5.1, иллюстрирующем цикл Брайтона газовой турбины, приведены примеры графиков удельного объема по давлению и энтропии температуры. Эти типы графиков имеют основополагающее значение для понимания производительности центробежного компрессора в одной рабочей точке. Два графика показывают, что давление повышается между входом компрессора (станция 1) и выходом компрессора (станция 2). При этом удельный объем уменьшается, а плотность увеличивается. График температура-энтропия показывает, что температура увеличивается с увеличением энтропии (потери). Предполагая, что сухой воздух, уравнение состояния идеального газа и изоэнтропический процесс, достаточно информации, чтобы определить степень давления и эффективность для этой одной точки. Карта компрессора необходима для понимания характеристик компрессора во всем его рабочем диапазоне.

Рисунок 5.2, карта производительности центробежного компрессора (испытанная или оценочная), показывает расход и степень сжатия для каждой из 4 линий скорости (всего 23 точки данных). Также включены контуры постоянной эффективности. Характеристики центробежного компрессора, представленные в этой форме, предоставляют достаточно информации, чтобы сопоставить оборудование, представленное на карте, с простым набором требований конечного пользователя.

По сравнению с оценкой производительности, которая является очень рентабельной (а значит, полезной при проектировании), тестирование, хотя и является дорогостоящим, все же остается наиболее точным методом. Кроме того, проверка производительности центробежного компрессора очень сложна. Профессиональные общества, такие как ASME (например, PTC – 10, Fluid Meters Handbook, PTC-19.x), ASHRAE ( ASHRAE Handbook ) и API (ANSI / API 617–2002, 672–2007), установили стандарты для подробных экспериментальных методов и анализа. результатов тестирования. Несмотря на эту сложность, можно представить несколько основных концепций производительности, изучив пример карты производительности теста.

Карты производительности

Степень давления и расход являются основными параметрами, необходимыми для соответствия карте рабочих характеристик на рис. 5.2 простому компрессору. В этом случае можно предположить, что температура на входе является стандартной на уровне моря. Это предположение неприемлемо на практике, поскольку колебания температуры на входе вызывают значительные колебания производительности компрессора. На рисунке 5.2 показано:

Скорректированный массовый расход: 0,04 - 0,34 кг / с
Степень полного давления на входе и выходе (PR _t-t = P _{t, нагнетание} / P _{t, впуск} ): 1,0 - 2,6

Как это принято на практике, на рисунке 5.2 горизонтальная ось помечена параметром потока. Хотя для измерения расхода используются различные единицы, все они соответствуют одной из двух категорий:

Массовый расход в единицу времени

Единицы измерения массового расхода, такие как кг / с, проще всего использовать на практике, поскольку здесь мало места для путаницы. Остающиеся вопросы касаются входа или выхода (что может привести к утечке из компрессора или конденсации влаги). Для атмосферного воздуха массовый расход может быть влажным или сухим (включая или исключая влажность). Часто, спецификация массового расхода будет представлена на эквивалентной основе Маха, . В этих случаях стандартно, что эквивалентная температура, эквивалентное давление и газ указываются явно или подразумеваются в стандартных условиях. ${\ Displaystyle м {\ sqrt {\ theta}} / {\ delta}}$

Объемный расход в единицу времени

Напротив, все спецификации объемного расхода требуют дополнительной спецификации плотности. Принцип гидродинамики Бернулли имеет большое значение для понимания этой проблемы. Путаница возникает из-за неточностей или неправильного использования постоянных давления, температуры и газа.

Также, как это принято в стандартной практике, на рис. 5.2 есть вертикальная ось, помеченная параметром давления. Существует множество единиц измерения давления. Все они подходят к одной из двух категорий:

Дельта давления, то есть увеличение от входа к выходу (измеряется манометром)
Давление нагнетания

В качестве альтернативы рост давления может быть задан как коэффициент, не имеющий единиц измерения:

Соотношение давлений (выход / вход)

Другие общие для карт производительности функции:

Линии с постоянной скоростью

Два наиболее распространенных метода создания карты для центробежного компрессора - это постоянная частота вращения вала или постоянная установка дроссельной заслонки. Если скорость поддерживается постоянной, контрольные точки берутся вдоль линии постоянной скорости путем изменения положения дроссельной заслонки. Напротив, если дроссельная заслонка остается постоянной, контрольные точки устанавливаются путем изменения скорости и повторяются с разными положениями дроссельной заслонки (обычная практика газовых турбин). Карта, показанная на рисунке 5.2, иллюстрирует наиболее распространенный метод; линии постоянной скорости. В этом случае мы видим точки данных, соединенные прямыми линиями на скоростях 50%, 71%, 87% и 100% об / мин. Первые три линии скорости имеют по 6 точек каждая, а линия максимальной скорости - пять.

Островки постоянной эффективности

Следующая особенность, которую следует обсудить, - это овальные кривые, представляющие островки постоянной эффективности. На этом рисунке мы видим 11 контуров в диапазоне от эффективности 56% (десятичная дробь 0,56) до 76% эффективности (десятичная дробь 0,76). Общая стандартная практика состоит в том, чтобы интерпретировать эту эффективность как изоэнтропическую, а не политропную. Включение островов эффективности эффективно создает трехмерную топологию этой двумерной карты. При заданной плотности на входе он дает дополнительные возможности для расчета аэродинамической мощности. Так же легко можно было заменить линии постоянной мощности.

Конструктивный или гарантийный пункт (-ы)

Что касается работы и производительности газовой турбины, может быть установлен ряд гарантированных точек для центробежного компрессора газовой турбины. Эти требования имеют второстепенное значение для общей производительности газовой турбины в целом. По этой причине необходимо только резюмировать, что в идеальном случае наименьший удельный расход топлива будет иметь место, когда кривая пикового КПД центробежных компрессоров совпадает с требуемой рабочей линией газовой турбины.

В отличие от газовых турбин, большинство других применений (включая промышленные) должны соответствовать менее строгому набору требований к рабочим характеристикам. Исторически центробежные компрессоры, применяемые в промышленности, были необходимы для достижения производительности при определенном расходе и давлении. Современные промышленные компрессоры часто необходимы для достижения конкретных целей производительности в диапазоне потоков и давлений; таким образом, мы сделали значительный шаг в направлении усовершенствования газовых турбин.

Если компрессор, представленный на рис. 5.2, используется в простом приложении, любая точка (давление и расход) в пределах КПД 76% обеспечит очень приемлемую производительность. «Конечный пользователь» был бы очень доволен эксплуатационными требованиями к коэффициенту давления 2,0 при 0,21 кг / с.

Всплеск

Помпаж - это явление потока при работе с низким массовым расходом, при котором крыльчатка не может добавить достаточно энергии, чтобы преодолеть сопротивление системы или противодавление. При работе с низким массовым расходом перепад давлений на крыльчатке высокий. Высокое противодавление после рабочего колеса толкает поток обратно через концы лопастей ротора к проушине рабочего колеса (вход). Это быстрое реверсирование потока (т. Е. Помпаж) демонстрирует сильную вращательную составляющую, которая влияет на углы потока на передней кромке лопастей. Ухудшение углов потока приводит к неэффективности крыльчатки, и ниже по потоку подается меньший поток. (Поэтому помпаж иногда называют осесимметричным срывом.) Таким образом, нагнетательная камера после рабочего колеса опорожняется, и (обратное) давление падает. В результате меньше реверсивного потока через концы ротора, и рабочее колесо снова становится эффективным. Эти циклические события вызывают сильные вибрации, повышают температуру и быстро изменяют осевое усилие. Эти события могут повредить уплотнения ротора, подшипники ротора, привод компрессора и цикл. Большинство турбомашин спроектировано так, чтобы легко выдерживать случайные помпажи. Однако, если машина постоянно подвергается скачкам напряжения в течение длительного периода времени или если она плохо спроектирована, повторяющиеся скачки напряжения могут привести к катастрофическому отказу. Особый интерес представляет то, что, хотя турбомашины могут быть очень долговечными, циклы / процессы, в которых они используются, могут быть гораздо менее надежными.

Линия перенапряжения

Линия помпажа, показанная на рисунке 5.2, представляет собой кривую, которая проходит через самые низкие точки потока каждой из четырех линий скорости. В качестве тестовой карты эти точки будут точками с наименьшим потоком, которые можно зафиксировать стабильными показаниями в испытательной установке / установке. Во многих промышленных приложениях может потребоваться увеличение линии срыва из-за противодавления в системе. Например, при 100% об / мин поток срыва может увеличиться примерно с 0,170 кг / с до 0,215 кг / с из-за положительного наклона кривой соотношения давлений.

Как указывалось ранее, причина этого заключается в том, что высокоскоростная линия на рисунке 5.2 демонстрирует характеристику срыва или положительный наклон в этом диапазоне потоков. При размещении в другой системе эти более низкие потоки могут быть недостижимы из-за взаимодействия с этой системой. Математически доказано, что сопротивление системы или неблагоприятное давление являются решающими факторами помпажа компрессора.

Максимальный поток по сравнению с дросселем

Дросселирование происходит при одном из двух условий. Обычно для высокоскоростного оборудования, когда поток увеличивается, скорость потока может приближаться к звуковой скорости где-то в пределах ступени компрессора. Это место может быть на входе в «горловину» рабочего колеса или на входе в «горловину» лопаточного диффузора. Напротив, для низкоскоростного оборудования по мере увеличения расхода потери увеличиваются, так что степень сжатия в конечном итоге падает до 1: 1. В этом случае возникновение дросселирования маловероятно.

Линии скорости центробежных компрессоров газовых турбин обычно имеют дросселирование. Это ситуация, когда степень давления в линии скорости быстро падает (по вертикали) с небольшим изменением расхода или без него. В большинстве случаев причина этого заключается в том, что скорости, близкие к 1 Маха, были достигнуты где-то внутри рабочего колеса и / или диффузора, что привело к быстрому увеличению потерь. Центробежные компрессоры с турбонагнетателем с более высокой степенью давления демонстрируют то же явление. Явление реального штуцера является функцией сжимаемости, измеряемой локальным числом Маха в пределах площади ограничения в пределах ступени центробежного давления.

Линия максимального потока, показанная на Рисунке 5.2, представляет собой кривую, которая проходит через самые высокие точки потока каждой линии скорости. При осмотре можно заметить, что каждый из этих пунктов имеет КПД около 56%. Выбор низкого КПД (<60%) является наиболее распространенной практикой, используемой для прекращения работы компрессора при высоких расходах. Другой фактор, который используется для определения максимального расхода в линии, - это степень давления, близкая или равная 1. Примером этого можно считать линию с 50% -ной скоростью.

Форма линий скорости на рис. 5.2 является хорошим примером того, почему неуместно использовать термин дроссель в связи с максимальным потоком всех линий скорости центробежного компрессора. В итоге; большинство промышленных и коммерческих центробежных компрессоров выбраны или спроектированы так, чтобы работать с максимальной эффективностью или близкой к ней и избегать работы с низким КПД. По этой причине редко есть причина иллюстрировать эффективность центробежного компрессора ниже 60%.

Многие карты производительности промышленных и коммерческих многоступенчатых компрессоров демонстрируют одну и ту же вертикальную характеристику по другой причине, связанной с так называемым наложением ступеней.

Другие эксплуатационные ограничения

Минимальная рабочая скорость: Минимальная скорость для приемлемой работы, ниже этого значения компрессор может останавливаться или переходить в состояние «холостого хода».
Максимально допустимая скорость: Максимальная рабочая скорость компрессора. При превышении этого значения напряжения могут превысить предписанные пределы, а колебания ротора могут быстро возрасти. На скоростях выше этого уровня оборудование, вероятно, станет очень опасным и будет переключаться на более низкие скорости.

Треугольники скорости на входе для рабочего колеса центробежного компрессора
Треугольники выходных скоростей рабочего колеса центробежного компрессора

Размерный анализ

Чтобы взвесить преимущества центробежных компрессоров, важно сравнить 8 параметров классических турбомашин. В частности, повышение давления (p), расход (Q), угловая скорость (N), мощность (P), плотность (ρ), диаметр (D), вязкость (μ) и эластичность (e). Это создает практическую проблему при попытке экспериментально определить влияние какого-либо одного параметра. Это потому, что практически невозможно изменить один из этих параметров независимо.

Метод процедуры, известный как π-теорема Бакингема, может помочь решить эту проблему, создав 5 безразмерных форм этих параметров. Эти параметры Pi обеспечивают основу для «подобия» и «законов сродства» в турбомашиностроении. Они обеспечивают создание дополнительных зависимостей (безразмерных), которые ценны при характеристике производительности.

В примере ниже напор будет заменен на давление, а скорость звука будет заменена на упругость.

Теорема Бекингема

В этой процедуре для турбомашин используются три независимых размера:

${\ displaystyle M}$ масса (альтернатива - сила)
${\ displaystyle L}$ длина
${\ displaystyle T}$ время

Согласно теореме каждый из восьми основных параметров приравнивается к своим независимым размерам следующим образом:

Поток	${\ displaystyle Q =}$	${\ displaystyle {\ frac {L ^ {3}} {T}}}$	бывший. = м ³ / с
Голова	${\ displaystyle H =}$	${\ displaystyle {\ frac {ML} {T ^ {2}}}}$	бывший. = кг · м / с ²
Скорость	${\ Displaystyle U =}$	${\ displaystyle {\ frac {L} {T}}}$	бывший. = м / с
Власть	${\ Displaystyle P =}$	${\ displaystyle {\ frac {ML ^ {2}} {T ^ {3}}}}$	бывший. = кг · м ² / с ³
Плотность	${\ Displaystyle \ rho =}$	${\ displaystyle {\ frac {M} {L ^ {3}}}}$	бывший. = кг / м ³
Вязкость	${\ displaystyle \ mu =}$	${\ displaystyle {\ frac {M} {LT}}}$	бывший. = кг / м · с
Диаметр	${\ Displaystyle D =}$	${\ displaystyle L}$	бывший. = м
Скорость звука	${\ displaystyle a =}$	${\ displaystyle {\ frac {L} {T}}}$	бывший. = м / с

Классическое подобие турбомашин

Завершение задачи следования формальной процедуре приводит к созданию этого классического набора из пяти безразмерных параметров для турбомашин. Полное сходство достигается, когда каждый из 5 Pi-параметров эквивалентен. Это, конечно, будет означать, что два сравниваемых турбомашины геометрически схожи и работают в одной и той же рабочей точке.

Коэффициент расхода	${\ displaystyle \ Pi _ {1} =}$	${\ displaystyle {\ frac {Q} {ND ^ {3}}}}$
Коэффициент напора	${\ displaystyle \ Pi _ {2} =}$	${\ displaystyle {\ frac {gH} {N ^ {2} D ^ {2}}}}$
Коэффициент скорости	${\ displaystyle \ Pi _ {4} =}$	${\ displaystyle {\ frac {ND} {a}}}$
Коэффициент мощности	${\ displaystyle \ Pi _ {3} =}$	${\ displaystyle {\ frac {P} {\ rho N ^ {3} D ^ {5}}}}$
Коэффициент Рейнольдса	${\ displaystyle \ Pi _ {5} =}$	${\ displaystyle {\ frac {\ rho ND ^ {2}} {\ mu}}}$

Аналитики турбомашиностроения получают потрясающее представление о производительности, сравнивая эти 5 параметров с эффективностью и коэффициентами потерь, которые также являются безразмерными. В общем случае первостепенное значение имеют коэффициент расхода и коэффициент напора. Как правило, для центробежных компрессоров коэффициент скорости имеет второстепенное значение, а коэффициент Рейнольдса имеет третичное значение. Напротив, как и ожидалось для насосов, число Рейнольдса становится второстепенным, а коэффициент скорости почти не имеет значения. Может показаться интересным, что коэффициент скорости может быть выбран для определения оси y на рисунке 1.1, в то время как в то же время коэффициент Рейнольдса может быть выбран для определения оси z.

Другие безразмерные комбинации

В таблице ниже показано еще одно значение анализа размеров. Любое количество новых безразмерных параметров можно вычислить с помощью экспонент и умножения. Например, вариант первого параметра, показанный ниже, широко используется при анализе систем авиационных двигателей. Третий параметр - это упрощенное изменение размеров первого и второго. Это третье определение применимо со строгими ограничениями. Четвертый параметр, удельная скорость, очень хорошо известен и полезен тем, что удаляет диаметр. Пятый параметр, удельный диаметр, является менее обсуждаемым безразмерным параметром, который полезен Балье.

1	Скорректированный коэффициент массового расхода	${\ Displaystyle \ Пи _ {1} \ Пи _ {4} =}$	${\ displaystyle {\ frac {m} {pD ^ {2}}} \ left ({\ frac {Rt} {k}} \ right) ^ {0.5}}$
2	Альтернативный эквивалент # 1 формы Маха	${\ displaystyle {\ frac {m_ {1}} {\ rho _ {1} a_ {1} {D_ {1}} ^ {2} \ cos (\ alpha _ {1})}} =}$	${\ displaystyle {\ frac {m_ {2}} {\ rho _ {2} a_ {2} {D_ {2}} ^ {2} \ cos (\ alpha _ {2})}}}$
3	Альтернативный вариант # 2 упрощенной размерной формы	${\ displaystyle {\ frac {m_ {1} {t_ {1}} ^ {0,5}} {p_ {1}}} =}$	${\ displaystyle {\ frac {m_ {2} {t_ {2}} ^ {0,5}} {p_ {2}}}}$
4	Удельный коэффициент скорости	${\ displaystyle {\ frac {{\ Pi _ {1}} ^ {0.5}} {{\ Pi _ {2}} ^ {0.75}}} =}$	${\ displaystyle {\ frac {NQ ^ {0.5}} {(gH) ^ {0.75}}}}$
5	Коэффициент удельного диаметра	${\ displaystyle {\ frac {{\ Pi _ {2}} ^ {0.25}} {{\ Pi _ {1}} ^ {0.5}}} =}$	${\ displaystyle {\ frac {D (gH) ^ {0.25}} {Q ^ {0.5}}}}$

Может показаться интересным, что конкретный коэффициент скорости может использоваться вместо скорости для определения оси y на рисунке 1.2, в то время как в то же время коэффициент конкретного диаметра может использоваться вместо диаметра для определения оси z.

Законы сродства

Следующие законы сродства получены из пяти Π-параметров, показанных выше. Они обеспечивают простую основу для масштабирования турбомашин от одного приложения к другому.

От коэффициента расхода	${\ displaystyle {\ frac {Q_ {1}} {Q_ {2}}} =}$	${\ displaystyle {\ frac {N_ {1}} {N_ {2}}} =}$	${\ displaystyle \ left ({\ frac {D_ {1}} {D_ {2}}} \ right) ^ {3}}$
От головного коэффициента	${\ displaystyle {\ frac {H_ {1}} {H_ {2}}} =}$	${\ displaystyle \ left ({\ frac {N_ {1}} {N_ {2}}} \ right) ^ {2} =}$	${\ displaystyle \ left ({\ frac {D_ {1}} {D_ {2}}} \ right) ^ {2}}$
От коэффициента мощности	${\ displaystyle {\ frac {P_ {1}} {P_ {2}}} =}$	${\ displaystyle \ left ({\ frac {N_ {1}} {N_ {2}}} \ right) ^ {3} =}$	${\ displaystyle \ left ({\ frac {D_ {1}} {D_ {2}}} \ right) ^ {5}}$

Основы аэротермодинамики

Следующие уравнения описывают полностью трехмерную математическую проблему, которую очень трудно решить даже с упрощающими предположениями. До недавнего времени из-за ограничений вычислительной мощности эти уравнения были упрощены до двумерной задачи Inviscid с псевдопотерями. До появления компьютеров эти уравнения почти всегда упрощались до одномерной задачи.

Решение этой одномерной проблемы по-прежнему актуально сегодня и часто называется средним анализом . Даже при всем этом упрощении все еще требуются большие учебники для описания и большие компьютерные программы для практического решения.

Сохранение массы

Это фундаментальное уравнение, также называемое непрерывностью , в общем виде имеет следующий вид:

{\ Displaystyle {\ frac {\ partial \ rho} {\ partial t}} + \ набла \ cdot (\ rho \ mathbf {v}) = 0}

Сохранение импульса

Этот фундамент, также называемый уравнениями Навье – Стокса , выводится из второго закона Ньютона в применении к движению жидкости . Записанное в сжимаемой форме для ньютоновской жидкости, это уравнение можно записать следующим образом:

{\ displaystyle \ rho \ left ({\ frac {\ partial \ mathbf {v}} {\ partial t}} + \ mathbf {v} \ cdot \ nabla \ mathbf {v} \ right) = - \ nabla p + \ mu \ nabla ^ {2} \ mathbf {v} + \ left ({\ frac {1} {3}} \ mu + \ mu ^ {v} \ right) \ nabla \ left (\ nabla \ cdot \ mathbf { v} \ right) + \ mathbf {f}}

Сохранение энергии

Первый закон термодинамики является утверждение о сохранении энергии. В определенных условиях работа центробежного компрессора считается обратимым процессом. Для обратимого процесса общее количество тепла, добавляемого к системе, можно выразить как где - температура, а - энтропия . Следовательно, для обратимого процесса: ${\ displaystyle \ delta Q = TdS}$ ${\ displaystyle T}$ ${\ displaystyle S}$

{\ Displaystyle dU = TdS-pdV. \,}

Поскольку U, S и V являются термодинамическими функциями состояния, указанное выше соотношение справедливо и для необратимых изменений. Приведенное выше уравнение известно как фундаментальное термодинамическое соотношение .

Уравнение состояния

Классический закон идеального газа можно записать:

{\ Displaystyle {\ pV = nRT}.}

Закон идеального газа также можно выразить следующим образом

{\ displaystyle {\ p = \ rho (\ gamma -1) U}}

где - плотность, - показатель адиабаты ( отношение удельных теплоемкостей ), - внутренняя энергия на единицу массы («удельная внутренняя энергия»), - удельная теплоемкость при постоянном объеме и - удельная теплоемкость при постоянном давлении. ${\ displaystyle \ rho}$ ${\ Displaystyle \ gamma = C_ {p} / C_ {v}}$ ${\ Displaystyle U = C_ {v} T}$ ${\ displaystyle C_ {v}}$ ${\ displaystyle C_ {p}}$

Что касается уравнения состояния, важно помнить, что хотя свойства воздуха и азота (близкие к стандартным атмосферным условиям) легко и точно оцениваются с помощью этого простого соотношения, существует множество применений центробежных компрессоров, где идеальное соотношение неадекватно. Например, центробежные компрессоры, используемые для больших систем кондиционирования воздуха (чиллеры с водяным охлаждением), используют хладагент в качестве рабочего газа, который нельзя моделировать как идеальный газ. Другой пример - центробежные компрессоры, сконструированные для нефтяной промышленности. Большинство углеводородных газов, таких как метан и этилен, лучше всего моделировать как уравнение состояния реального газа, а не идеальных газов. Запись в Википедии об уравнениях состояния очень тщательна.

За и против

Плюсы

Центробежные компрессоры обладают преимуществами простоты изготовления и относительно невысокой стоимости. Это связано с тем, что для достижения одинакового повышения давления требуется меньшее количество ступеней.
Центробежные компрессоры используются во всей промышленности, потому что они имеют меньше трущихся частей, относительно энергоэффективны и обеспечивают более высокий и не колеблющийся постоянный воздушный поток, чем поршневой компрессор аналогичного размера или любой другой поршневой насос прямого вытеснения .
Центробежные компрессоры в основном используются в качестве турбонагнетателей и в небольших газотурбинных двигателях, таких как APU ( вспомогательная силовая установка ), и в качестве основного двигателя для небольших самолетов, таких как вертолеты . Существенной причиной этого является то, что при современной технологии эквивалентный осевой компрессор с воздушным потоком будет менее эффективным, в первую очередь из-за комбинации потерь ротора и переменного зазора между концами статора.

Минусы

Их главный недостаток заключается в том, что они не могут достичь высокой степени сжатия поршневых компрессоров без использования нескольких ступеней. Существует несколько одноступенчатых центробежных компрессоров, способных работать с перепадами давлений более 10: 1 из-за соображений напряжения, которые серьезно ограничивают безопасность, долговечность и ожидаемый срок службы компрессора.
Центробежные компрессоры непрактичны по сравнению с осевыми компрессорами для использования в больших газовых турбинах и турбореактивных двигателях, приводящих в движение большие летательные аппараты, из-за возникающего в результате веса и напряжения, а также из-за фронтальной поверхности, представленной большим диаметром радиального диффузора.

Строительная механика, производство и компромисс при проектировании

В идеале рабочие колеса центробежных компрессоров должны иметь тонкие прочные лопасти из воздушной фольги, каждая из которых установлена на легком роторе. Этот материал можно было бы легко обработать или отлить, и он был бы недорогим. Кроме того, он не будет создавать шума при работе и прослужит долго в любых условиях.

С самого начала процесса аэротермодинамического проектирования аэродинамические соображения и оптимизация [29,30] имеют решающее значение для успешного проектирования. При проектировании необходимо учитывать материал и метод изготовления центробежного рабочего колеса, будь то пластик для воздуходувки пылесоса, алюминиевый сплав для турбокомпрессора, стальной сплав для воздушного компрессора или титановый сплав для газовой турбины. Конструктивная целостность рабочего колеса определяется сочетанием формы рабочего колеса центробежного компрессора, условий его эксплуатации, материала и метода изготовления.

Languages

In other projects