Центробежный компрессор - Centrifugal compressor

Центробежный компрессор работает как рабочее колесо центробежный насос

Крыльчатка центробежного компрессора

Реактивный двигатель в разрезе центробежный компрессор и другие детали

Центробежные компрессорыиногда называют радиальные компрессоры, являются подклассом динамических осесимметричных амортизирующих турбомашина.^[1]

Они добиваются повышения давления, добавляя кинетическая энергия /скорость к непрерывному потоку жидкость через ротор или крыльчатка. Затем эта кинетическая энергия преобразуется в увеличение потенциальная энергия / статическое давление за счет замедления поток 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 прямой, однородный и не имеет завихренности, т.е. вихревого движения, поэтому угол закрутки α₁ = 0 °, как показано. Когда поток проходит через центробежную крыльчатку, крыльчатка заставляет поток вращаться быстрее, когда он удаляется от оси вращения. По форме Эйлер уравнение гидродинамики, известное как уравнение насоса и турбины, подвод энергии к жидкости пропорционален локальной скорости вращения потока, умноженной на местное рабочее колесо тангенциальная скорость.

Во многих случаях поток, покидающий центробежное рабочее колесо, движется вблизи скорость звука. Затем он проходит через стационарный компрессор, заставляя его замедляться. Стационарный компрессор является воздуховодом с увеличивающимся проходным сечением, в котором 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 Принцип Бернулли, уменьшение скорости вызывает рост давления.^[1]

Исторический вклад, пионеры

За последние 100 лет ученые-прикладники, в том числе Стодола (1903, 1927–1945),^[2] Пфлейдерер (1952),^[3] Хоторн (1964),^[4] Шепард (1956),^[1] Лакшминараяна (1996),^[5] и Джапиксе (многие тексты, включая цитаты),^[6][7][8][9] обучили молодых инженеров основам турбомашиностроения. Это понимание применимо ко всем динамическим, проточным, осесимметричным насосам, вентиляторам, воздуходувкам 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. Рисунки 1.1 и 1.2^[10][11] иллюстрируют область турбомашиностроения 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 аэро -термо область турбомашиностроения. По горизонтальной оси отложено уравнение энергии, получаемое из первый закон термодинамики.^[1][11] Вертикальная ось, которую можно охарактеризовать числом Маха, представляет диапазон сжимаемости (или упругости) жидкости.^[1][11] Ось Z, которую можно охарактеризовать как Число Рейнольдса, представляет диапазон вязкости (или липкости) жидкости.^[1][11] Математики и физики, заложившие основы этой области аэротермо, включают:^[12][13] Исаак Ньютон, Даниэль Бернулли, Леонард Эйлер, Клод-Луи Навье, Джордж Стоукс, Эрнст Мах, Николай Егорович Жуковский, Мартин Кутта, Людвиг Прандтль, Теодор фон Карман, Пол Рихард Генрих Блазиус, и Анри Коанда.

Рисунок 1.2 представляет физическую или механическую область турбомашин. Опять же, горизонтальная ось представляет уравнение энергии с турбинами, вырабатывающими энергию слева, и компрессорами, потребляющими энергию справа.^[1][11] В физической области вертикальная ось различает высокие скорости и низкие скорости в зависимости от применения турбомашинного оборудования.^[1][11] Ось Z различает геометрию осевого потока и геометрию радиального потока в физической области турбомашинного оборудования.^[1][11] Подразумевается, что смешанные турбомашины расположены между осевым и радиальным.^[1][11] Ключевые участники технических достижений, которые продвинули практическое применение турбомашин, включают:^[12][13] Денис Папин,^[14] Кернелиен Ле Демур, Даниэль Габриэль Фаренгейт, Джон Смитон, доктор А. К. Э. Рато,^[15] Джон Барбер, Александр Саблуков, Сэр Чарльз Алджернон Парсонс, Эгидиус Эллинг, Сэнфорд Александр Мосс, Уиллис Кэрриер, Адольф Буземанн, Герман Шлихтинг, Фрэнк Уиттл и Ганс фон Охайн.

Частичная временная шкала

Сходства турбомашин

Центробежные компрессоры во многом похожи на другие турбомашина 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.^[5][7] Первая часть центробежного рабочего колеса очень похожа на осевой компрессор. Эта первая часть центробежной крыльчатки также называется индуктор. Центробежные компрессоры отличаются от осевых, поскольку они используют значительное изменение радиуса от входа до выхода рабочего колеса, чтобы обеспечить гораздо больший подъем давления за одну ступень (например, 8^[16] в Pratt & Whitney Canada PW200 серии вертолетных двигателей), чем осевая ступень. Немецкий язык 1940-х годов Heinkel HeS 011 Экспериментальный двигатель был первым авиационным турбореактивным двигателем, у которого была ступень компрессора с радиальным поворотом потока на полпути от нуля для осевого до 90 градусов для центробежного. Он известен как компрессор смешанного / диагонального потока. Диагональный столик используется в Pratt & Whitney Canada PW600 серия малых ТРДД.

Центробежный вентилятор

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

А вентилятор с беличьей клеткой, без выпускного диффузора

Центробежные компрессоры также похожи на центробежные вентиляторы стиля, показанного на соседнем рисунке, поскольку они оба увеличивают энергию потоков за счет увеличения радиуса.^[1] В отличие от центробежных вентиляторов, компрессоры работают на более высоких скоростях, чтобы создавать большее давление. Во многих случаях инженерные методы, используемые для проектирования центробежных вентиляторов, такие же, как и при проектировании центробежных компрессоров, поэтому они могут выглядеть очень похожими.

Это соотношение менее верно по сравнению с беличий вентилятор показано на сопроводительном 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 число Маха 0.3^[5][17] когда рабочая жидкость - воздух или азот. Напротив, вентиляторы или нагнетатели часто имеют увеличение плотности менее чем на пять процентов и максимальную относительную скорость жидкости ниже 0,3 Маха.

Центробежный насос

3D-модель твердого тела типа центробежный насос

Визитка центробежный насос

Центробежные компрессоры также похожи на центробежные насосы^[1] стиля, показанного на соседних рисунках. Ключевое различие между такими компрессорами и насосами заключается в том, что рабочая жидкость компрессора является газом (сжимаемым), а рабочая жидкость насоса - жидкостью (несжимаемой). Опять же, инженерные методы, используемые для проектирования центробежного насоса, такие же, как и при проектировании центробежного компрессора. Но есть одно важное различие: необходимость иметь дело с кавитация в насосах.

Радиальная турбина

Центробежные компрессоры также очень похожи на их турбомашинный аналог. радиальная турбина 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.^[7] Другими словами, мощность подается на компрессоры и выводится из турбин.

Турбомашины с использованием центробежных компрессоров

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

• Вспомогательный блок питания
• Центробежный нагнетатель
• Газовая турбина
• Турбокомпрессор
• Турбовинтовой
• Турбовальный

Компоненты простого центробежного компрессора

Простой центробежный компрессор состоит из четырех компонентов: входа, крыльчатки / ротора, диффузора и коллектора.^[1] На рисунке 3.1 показан каждый из компонентов пути потока, 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 спиральной камеры, удаляясь от зрителя фигуры.

Рисунок 3.1 - Вид в разрезе турбокомпрессор показаны центробежный компрессор (синий) на правом конце ротора

Вход

Впускной канал центробежного компрессора 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 значение для управления центробежным компрессором.

Центробежное рабочее колесо

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 спроектированы во многих конфигурациях, 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".^[6][18][19]

Насос Эйлера и уравнение турбины, играет важную роль в понимании характеристик рабочего колеса.

Диффузор

Следующим ключевым компонентом простого центробежного компрессора является диффузор.^[7][8][19] За рабочим колесом на пути потока диффузор должен преобразовывать кинетическую энергию (высокую скорость) газа в давление путем постепенного замедления (диффузии) скорости газа. Диффузоры могут быть безлопаточными, пластинчатыми или комбинированными. Высокоэффективные лопастные диффузоры также разработаны для широкого диапазона 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.

Коллектор

Коллектор центробежного компрессора может принимать разные формы и формы.^[7][19] Когда диффузор выходит в большую пустую камеру, коллектор можно назвать Пленум. Когда диффузор попадает в устройство, которое чем-то похоже на раковину улитки, бычий рог или валторну, коллектор, вероятно, будет называться спираль или же прокрутка. Как следует из названия, цель коллектора состоит в том, чтобы собрать поток из выпускного кольцевого пространства диффузора и направить этот поток в нижнюю по потоку трубу. 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.^[5]

Рисунок 4.1 - Реактивный двигатель в разрезе центробежный компрессор и другие детали.

Рисунок 4.2 - Реактивный двигатель поперечное сечение центробежного компрессора и других частей.

• В газовые турбины и вспомогательные энергоблоки.^[20] 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 FAA и военными, чтобы обеспечить максимальную безопасность и долговечность в тяжелых условиях. Центробежные рабочие колеса, используемые в газовых турбинах, обычно изготавливаются из поковок из титанового сплава. Их лопасти с проточным каналом обычно фрезерованы по бокам или по острию на 5-осевых фрезерных станках. Когда допуски и зазоры самые жесткие, эти конструкции завершаются как горячая рабочая геометрия и отклоняются обратно в холодную геометрию, как требуется для производства. Эта необходимость возникает из-за прогибов рабочего колеса, возникающих при запуске до полной скорости / полной температуры, которые могут быть в 100 раз больше, чем ожидаемый зазор рабочего колеса в горячем состоянии.

• В автомобильном двигателе и дизель турбокомпрессоры и нагнетатели.^[21] Ref. Рисунок 1.1.
  Центробежные компрессоры, используемые в сочетании с поршневыми двигателями внутреннего сгорания, известны как турбокомпрессоры, если приводятся в действие выхлопными газами двигателя, и турбонагнетатели, если приводятся в действие двигателем механически. Стандарты, установленные промышленностью для турбокомпрессоров, могли быть установлены SAE.^[22] Идеальные свойства газа часто хорошо подходят для проектирования, испытаний и анализа характеристик центробежных компрессоров турбонагнетателя.

• В трубопроводные компрессоры из натуральный газ для транспортировки газа с производственной площадки к потребителю.^[23]
  Центробежные компрессоры для таких целей могут быть одно- или многоступенчатыми и приводиться в действие большими газовыми турбинами. Стандарты, установленные отраслью (ANSI / API, ASME), приводят к созданию толстых корпусов большого размера для обеспечения максимальной безопасности. Рабочие колеса часто, если не всегда, закрытого типа, что делает их похожими на рабочие колеса насоса. Этот тип компрессора также часто называют API-стиль. 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.

• В нефтеперерабатывающие заводы, переработка природного газа, нефтехимический и химические заводы.^[23]
  Центробежные компрессоры для таких целей часто бывают одновальными, многоступенчатыми и приводятся в действие большими паровыми или газовыми турбинами. Их оболочки часто называют горизонтально разделенный или же бочка. Стандарты, установленные промышленностью (ANSI / API, ASME) для этих компрессоров, приводят к созданию больших толстых кожухов для максимальной безопасности. Рабочие колеса часто, если не всегда, закрытого типа, что делает их похожими на рабочие колеса насоса. Этот тип компрессора также часто называют API-стиль. Мощность, необходимая для привода этих компрессоров, чаще всего составляет тысячи л.с. Использование реальных свойств газа необходимо для правильного проектирования, тестирования и анализа их характеристик.

• Кондиционер и охлаждение и HVAC: Центробежные компрессоры часто обеспечивают сжатие в чиллеры циклы.^[24]
  Из-за большого разнообразия циклов сжатия пара (термодинамический цикл, термодинамика ) и большое разнообразие рабочих газов (хладагенты ) 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 пневматические инструменты.^[25]
  Центробежные компрессоры для таких целей часто бывают многоступенчатыми и приводятся в действие электродвигателями. Промежуточное охлаждение часто требуется между ступенями для контроля температуры воздуха. Обратите внимание, что бригада по ремонту дорог и местная автомобильная мастерская считают, что винтовые компрессоры лучше подходят для их нужд. Стандарты, установленные промышленностью для этих компрессоров, включают ASME и правительственные постановления, которые подчеркивают безопасность. 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.^[25]
  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, которые подчеркивают безопасность. 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.

• В нефтяное месторождение повторная закачка природного газа под высоким давлением для повышения нефтеотдачи.^[23]
  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 больших толстых кожухов для максимальной безопасности. Рабочие колеса часто, если не всегда, закрытого типа, что делает их похожими на рабочие колеса насоса. Этот тип компрессора также часто называют API-стиль. Использование свойств реального газа необходимо для правильного проектирования, тестирования и анализа их характеристик.

Спектакль

Рисунок 5.1 - Цикл Брайтона. Иллюстрация цикла Брайтона применительно к газовой турбине.

Рисунок 5.2 - Пример карты производительности центробежного компрессора.

Иллюстрируя цикл Брайтона газовой турбины,^[12] На рис. 5.1 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. Изучая эти два графика далее, мы видим, что давление повышается между входом компрессора (станция 1) и выходом компрессора (станция 2). В то же время легко увидеть, что удельный объем уменьшается или аналогично увеличивается плотность. Изучая график температура-энтропия, мы видим, что температура увеличивается с увеличением энтропии (потери). Если мы предположим сухой воздух, уравнение состояния идеального газа и изоэнтропический процесс, у нас будет достаточно информации, чтобы определить степень давления и эффективность для этой одной точки. К сожалению, нам не хватает нескольких других ключевых элементов информации, если мы хотим применить центробежный компрессор в другом приложении.

Рисунок 5.2, карта производительности центробежного компрессора (тестовая 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, по-прежнему является наиболее точным методом.^[9] Кроме того, проверка производительности центробежного компрессора очень сложна. Профессиональные общества, такие как КАК Я (например, PTC – 10, Руководство по расходомерам, PTC-19.x),^[26] ASHRAE (Справочник ASHRAE ) и API (ANSI / API 617-2002, 672-2007)^[23][25] установили стандарты для подробных экспериментальных методов и анализа результатов испытаний. Несмотря на эту сложность, можно представить несколько основных концепций производительности, изучив пример карты производительности теста.

Карты производительности

Степень давления и расход - основные параметры^{[12][23][25][26]} Это необходимо для того, чтобы сопоставить диаграмму характеристик на Рисунке 5.2 с простым компрессором. В этом случае можно предположить, что температура на входе является стандартной на уровне моря. Сделать это предположение в реальном случае было бы значительной ошибкой. Детальный осмотр рисунка 5.2 показывает:

• Скорректированный массовый расход: 0,04 - 0,34 кг / с
• Общее давление соотношение впуска к выпуску (PR_т-т = P_{т, разряд}/П_{т, вход}): 1.0 – 2.6

Как это принято на практике, на рис. 5.2 горизонтальная ось помечена параметром расхода. Хотя для измерения расхода используются самые разные единицы измерения, все они соответствуют одной из 2 категорий:

Массовый расход в единицу времени

Массовые потоки, такие как кг / с, проще всего использовать на практике, так как здесь мало места для путаницы. Остающиеся вопросы будут касаться 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 спецификации массового расхода будут представлены на основе эквивалентного числа Маха. В этих случаях стандартно, что эквивалентная температура, эквивалентное давление и газ указываются явно или подразумеваются в стандартных условиях.

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 констант давления, температуры и газа.

Также, как это принято в стандартной практике, на рис. 5.2 есть вертикальная ось, помеченная параметром давления. Разнообразие единиц измерения давления также велико. В этом случае все они попадают в одну из трех категорий:

• Увеличение или увеличение дельты от входа к выходу (Стиль манометра)
• Измеренное давление нагнетания (сила)
• Соотношение сил (соотношение, выход / вход)

Другие общие характеристики карт производительности:

Линии с постоянной скоростью

Два наиболее распространенных метода, используемых для испытания центробежных компрессоров, - это испытание с постоянной скоростью вала или с постоянным дросселем. Если скорость вала остается 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 (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 очков, а линия с максимальной скоростью - пять.

Островки постоянной эффективности

Следующая особенность, которую следует обсудить, - это кривые овальной формы, представляющие острова постоянной эффективности. На этом рисунке мы видим 11 контуров в диапазоне от эффективности 56% (десятичное 0,56) до 76% эффективности (десятичное 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.

Конструкция 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 делаем 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.^[27] 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).^[28] Это быстрое реверсирование потока (т. Е. Помпаж) проявляет сильную вращательную составляющую, которая влияет на углы потока на передней кромке лопастей. Ухудшение углов потока приводит к неэффективности рабочего колеса, и ниже по потоку подается меньший поток. (Поэтому помпаж иногда называют осесимметричным срывом.) Таким образом, нагнетательная камера за рабочим колесом 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, является кривой, которая проходит через самые низкие точки потока каждой из четырех линий скорости. В качестве тестовой карты эти точки будут самыми низкими точками потока, которые могут быть зафиксированы в пределах испытательной установки / установки. 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 рис. 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 отрицательное 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 внутри 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 дросселя маловероятно.

В линиях скорости центробежных компрессоров газовых турбин обычно имеется дроссель. 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 сжатия, близкая или равная 1. Примером этого можно считать линию 50% скорости.

Форма линий скорости на рис. 5.2 представляет собой хороший пример того, почему неуместно использовать термин дроссель в связи с максимальным расходом 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 низкой эффективностью. По этой причине редко есть причина иллюстрировать эффективность центробежного компрессора ниже 60%.

Многие промышленные и коммерческие карты производительности 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 «холостой ход».

Максимально допустимая скорость

Максимальная рабочая скорость компрессора. При превышении этого значения напряжения могут превысить предписанные пределы, а вибрации 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 скорости на выходе для рабочего колеса центробежного компрессора

• 

  Рисунок 1.1 - Аэротермобласть турбомашинного оборудования.

• 

  Рисунок 1.2 - Физическая область турбомашинного оборудования

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.^[1][7][13] Эти параметры Pi обеспечивают основу для «подобия» и «законов сродства» в турбомашиностроении. Они обеспечивают создание дополнительных зависимостей (безразмерных), которые ценны при характеристике производительности.

Для примера ниже давление будет заменено напором, а упругость - скоростью звука.

Теорема Букингема

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. = м3/ с
Голова	${ displaystyle H =}$	${ displaystyle { frac {ML} {T ^ {2}}}}$	бывший. = кг · м / с2
Скорость	${ Displaystyle U =}$	${ displaystyle { frac {L} {T}}}$	бывший. = м / с
Мощность	${ Displaystyle P =}$	${ displaystyle { frac {ML ^ {2}} {T ^ {3}}}}$	бывший. = кг · м2/ с3
Плотность	${ Displaystyle rho =}$	${ displaystyle { frac {M} {L ^ {3}}}}$	бывший. = кг / м3
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 похожи и работают в одной 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 безразмерны. 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.^[29]

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 быть вместо диаметра для определения оси z.

Законы сродства

Следующее 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 задачу, которую очень трудно решить даже с упрощающими предположениями.^[5][30] 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 актуально и сегодня, и это часто называют средний анализ. Даже со всем этим упрощением все еще требуются большие учебники для описания и большие компьютерные программы для практического решения.

Сохранение массы

Также называется непрерывность, это фундаментальное уравнение, записанное в общем виде, имеет следующий вид:

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

Сохранение импульса

Также называется Уравнения Навье – Стокса, этот фундаментальный вывод выводится из Второй закон Ньютона когда применяется к движение 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

В первый закон термодинамики является заявлением о сохранении энергии. В определенных условиях работа центробежного компрессора считается обратимым процессом. Для обратимого процесса общее количество тепла, добавляемого к системе, может быть выражено как ${ displaystyle delta Q = TdS}$ куда ${ displaystyle T}$ является температура и ${ displaystyle S}$ является энтропия. Следовательно, для обратимого процесса:

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

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

Уравнение состояния

Классический закон идеального газа можно написать:

${ Displaystyle { pV = nRT}.}$

Закон идеального газа также можно выразить следующим образом

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

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

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 настоящий газ уравнение состояния а не идеальные газы. 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, поскольку они имеют меньше трущихся частей, относительно энергоэффективны и обеспечивают более высокуюколеблющийся постоянный поток воздуха чем аналогичный размер поршневой компрессор или любой другой поршневой насос.

• Центробежные компрессоры в основном используются в качестве турбокомпрессоры и в малых газовая турбина двигатели как в ВСУ (вспомогательный блок питания ) и в качестве основного двигателя для небольших самолетов, таких как вертолеты. Важной причиной этого является то, что с помощью современных технологий эквивалентный воздушный поток осевой компрессор будет менее эффективным, главным образом, из-за сочетания потерь в концевом зазоре ротора и переменного статора.

Минусы

• Их главный недостаток в том, что они не могут достичь высоких коэффициент сжатия поршневых компрессоров без ступенчатых. 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 газовые турбины и турбореактивный двигатели, приводящие в движение большие самолеты, из-за возникающего в результате веса и напряжения, а также из-за лобовой области, представленной большим диаметром радиального диффузора.

Строительная механика, производство и компромисс в дизайне

В идеале крыльчатки центробежных компрессоров должны иметь тонкие прочные лопасти из воздушной фольги, каждая из которых установлена ​​на легком роторе. Этот материал легко обрабатывать или отливать, и он стоит недорого. Кроме того, он не будет создавать шума при работе и прослужит долго в любых условиях.^{[требуется разъяснение ]}

С самого начала процесса аэротермодинамического проектирования аэродинамические соображения и оптимизации [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 крыльчатки определяется сочетанием формы рабочего колеса центробежного компрессора, условий его эксплуатации, материала и метода изготовления.

Смотрите также

• Осевой компрессор
• Угловой момент
• Центробежная сила
• Центростремительная сила
• Эффект Коанды
• Вычислительная гидродинамика
• Сжимаемость
• Сила Кориолиса
• Скорректированная скорость
• Уравнение Дарси – Вайсбаха.
• Густав де Лаваль
• Энтальпия
• Энтропия
• Уравнения Эйлера (гидродинамика)
• Метод конечных элементов
• Динамика жидкостей
• Газовые законы
• Закон идеального газа
• Кинематика
• Настоящий газ
• Число Россби
• число Маха
• Многофазный поток
• Уравнения Навье – Стокса
• Усредненные по Рейнольдсу уравнения Навье – Стокса
• Транспортная теорема Рейнольдса
• Число Рейнольдса
• Данфосс Турбокор
• Турбулентность
• Вязкость
• Фон Карман Институт динамики жидкости
• Трехмерные потери и корреляция в турбомашиностроении

^[31][32]

Рекомендации

внешняя ссылка

• Лаборатория газовых турбин Массачусетского технологического института
• (1948), Первая морская газовая турбина в эксплуатации. Журнал Американского общества морских инженеров, 60: 66–86. Дои:10.1111 / j.1559-3584.1948.tb02754.x
• История газотурбинных автомобилей Chrysler
• Чтобы найти коды API, стандарты и публикации [Неработающей ссылке]
• Чтобы найти коды, стандарты и публикации ASME
• Чтобы найти коды, стандарты и публикации ASHRAE
• Исследовательский центр Гленна НАСА
• Ресурсный центр Понтяк
• Гидродинамика насосов, Кристофер Эрлс Бреннен
• Данфосс Турбокор