Основы теории компрессоров

Достоинства и недостатки осевых и радиальных турбин

Преимущества осевых турбин по сравнению с радиальными:

· более высокий к.п.д. при повышенных расходах газа и диаметрах рабочего колеса (d > 150 мм);

· меньшие окружные скорости при равных оборотах вала вследствие применения рабочего колеса меньших размеров для достижения одинаковой мощности;

· лучшая вибрационная прочность рабочих лопаток, что особенно важно при использовании потока газов с переменным давлением перед сопловым аппаратом;

· легкость ротора и простота конструкции корпуса турбины.

Недостатки осевых турбин:

· меньший к.п.д. при малых размерах рабочего колеса (d_K < 150 мм). Чем меньше объемный расход газа, тем меньше высота лопаток осевой, турбины, больше потери и меньше к.п.д. При увеличении расхода газа и размеров турбины уменьшаются относительные потери, поэтому к.п.д. осевой турбины становится больше, чем к.п.д. радиальной турбины;

· сложность конструктивного выполнения системы регулирования соплового аппарата.

Преимущества радиальных центростремительных турбин (по сравнению с осевыми):

· больший к.п.д. турбины при относительно малых расходах газа (Q_Г<2 м³/сек) и размерах рабочего колеса (d < 150 mm);

· простота конструкции и надежность рабочего колеса, выполняемого в виде единой отливки;

· возможность выполнения регулируемого соплового аппарата по сравнительно простой конструктивной схеме;

· возможность получения равных мощностей при меньшем числе оборотов.

Недостатки радиальных центростремительных турбин:

· повышенные размеры рабочего колеса, что приводит к росту окружной скорости при равном числе оборотов и к снижению надежности и срока службы подшипников;

· сравнительно низкий к.п.д. при больших расходах газа и мощности турбины.

Осевые турбины применяют в тех случаях, когда надо обеспечить значительные расходы газа и мощность при большом сроке службы. Радиальные центростремительные турбины целесообразно использовать для малых расходов газа и мощностей. Отечественный типоразмерный ряд турбокомпрессоров (ГОСТ 9658-66) предусматривает применение осевых турбин, начиная с диаметра d = 18 см и до d = 64 см (ТК) и радиальных центростремительных турбин от d = 7 см до d = 23 см (ТКР).

Для воздухоснабжения двигателей внутреннего сгорания применяются лопаточные и объемные компрессоры. К лопаточным относятся центробежные и осевые компрессоры Наибольшее распространение в агрегатах наддува получили центробежные компрессоры.

К объемным компрессорам относятся роторно-лопастные, роторно-винтовые и поршневые.

Независимо от конструктивных особенностей, все компрессорные машины отличаются тем, что для получения сжатого воздуха необходимо затратить механическую энергию. У двигателей со свободным газотурбинным наддувом источником энергии для привода компрессора является газовая турбина. В некоторых случаях компрессоры соединяются механическим или гидравлическим приводом с коленчатым валом двигателя.

Ниже рассмотрены схемы устройства, принципы действия и основы теории перечисленных видов компрессоров.

8.1 Центробежные компрессоры.
Схема устройства и принцип действия

Рис. 8.1

На рис. 8.1 изображена принципиальная схема устройства центробежного компрессора. Воздух поступает из атмосферы во входное устройство 1 и далее перетекает в рабочее колесо 4, диффузор 3 и воздухосборник (улитку) 2. Рабочее колесо закреплено на валу турбины 5.

Входное устройство предназначено для формирования потока воздуха с тем, чтобы он поступал в рабочее колесо равномерно и с минимальными потерями. Для придания потоку воздуха необходимого направления и повышения его скорости в конструкции компрессора предусматривается неподвижный или вращающийся направляющий аппарат.

На рис. 8.2 показан характер изменения давления р, температуры Т и скорости с воздуха в проточной части компрессора. Во входном устройстве 1 давление уменьшается от р₀ до р₁, температура — от Т_о до Т₁ а скорость возрастает от с₀ до с₁. Уменьшение давления и температуры воздуха перед входом в рабочее колесо 2 является следствием повышения скорости во входном устройстве

(8.1)

Соответственно уменьшается удельный вес воздуха

Рис. 8.2

Рабочее колесо центробежного компрессора представляет собой крыльчатку с радиальными или криволинейными лопатками. Воздух вращается вместе с колесом и, перетекая под действием центробежных сил в направлении от центра к периферии, сжимается до давления р₂. При этом возрастают температура и скорость воздуха. Энергия, подведенная к рабочему колесу компрессора, расходуется на повышение давления и кинетической энергии воздуха и на преодоление потерь, неизбежно возникающих при работе компрессора.

Рабочие колеса бывают открытыми, закрытыми и полузакрытыми (рис. 8.3). У открытого колеса (а) межлопаточный канал с торцов ограничивается стенками корпуса компрессора, а само колесо состоит из радиальных лопаток и втулки. Большие гидравлические потери ограничивают применение открытых колес, несмотря на простоту их конструкции.

Рис. 8.3

У закрытых колес (б) лопатки ограничены с торцов стенками, передняя из которых имеет отверстия для входа воздуха. Преимущества закрытых колес - минимальные гидравлические потери и высокий к.п.д. Недостатки: сложность изготовления и ограниченные, по сравнению с открытыми колесами, окружные скорости.

Полузакрытые колеса (в) имеют одну торцовую стенку с лопатками, обладающими достаточно высокой жесткостью и прочностью. Гидравлические потери в полузакрытых колесах меньше, чем в открытых, но больше, чем в закрытых. Лопатки рабочего колеса выполняются радиальными (рис. 8.4) и криволинейными, с передними торцами, загнутыми вперед (по направлению вращения) и назад (против направления вращения). Лопатки, загнутые по направлению вращения, позволяют обеспечить безударный вход, уменьшить потери в рабочем колесе и увеличить к.п.д. Радиальные лопатки позволяют получить высокие значения напора и к.п.д., весьма просты в изготовлении и потому широко применяются в наддувочных компрессорах.

Рис. 8.4

Диффузор представляет собой расширяющийся канал. Так как площадь сечения диффузора на выходе больше, чем на входе, то при перетекании воздуха скорость уменьшается от с₂ до с₃, а давление и температура возрастают соответственно от р₂ до р₃ и от Т₂ до Т₃. Следовательно, в диффузоре происходит преобразование части кинетической энергии воздушного потока в работу сжатия. Диффузоры выполняются щелевыми и лопаточными. Установка лопаточного диффузора позволяет более эффективно использовать кинетическую энергию для повышения давления, уменьшить потери на трение и увеличить к.п.д. компрессора. Лопаточный диффузор представляет собой круговую решетку из профилированных лопаток (см. рис. 8.8). Обычно вследствие уменьшения скорости сжатие продолжается также в улитке, где воздух собирается и направляется во впускной коллектор двигателя.

Отношение давления воздуха на выходе из компрессора р_к к давлению p₁ перед рабочим колесом называется степенью повышения давления в компрессоре . Одноступенчатый центробежный компрессор позволяет получить до 3,5÷4, и расход воздуха до 5 м³/сек: При необходимости обеспечить более высокие степени повышения давления применяют двухступенчатые компрессоры.

Дата добавления: 2014-01-06