56. Динамические компрессоры (турбокомпрессоры). Сравнительный анализ и области применения компрессоров различных типов.

Турбокомпрессоры (ТК) (иначе – центробежные компрессоры) являются наиболее распространенными представителями динамических компрессоров. По своему устройству и принципу работы ТК близки к центробежным насосам. Нагнетание газа в них происходит под действием центробежной силы, которая возникает при вращении газа, увлекаемого лопатками вращающегося рабочего колеса.

Кроме ТК существуют центробежные вентиляторы, турбогазодувки и турбоэксгаустеры.

Для получения больших напоров (давлений) необходимо сочетание большой окружной скорости рабочих колес (до 300–450 м/с) с большим числом ступеней (до 12). Давление нагнетания в ТК достигает 2,5–3 МПа. Рабочие колеса ТК имеют разный диаметр и ширину, от первого колеса к последнему они уменьшаются. Охлаждение сжимаемого газа может быть осуществлено непосредственно через корпус машины с помощью водяной рубашки или в выносных холодильниках.

Теоретический напор, развиваемый ТК, определяется с помощью основного уравнения центробежных машин – уравнения Эйлера (уравнение (6.24)).

Реальное значение напора можно определить по уравнению (6.26). Коэффициент напора для турбозазодувок и ТК (лопатки загнуты назад, т.е. ) колеблется в пределах от 0,8 до 1,2; для вентиляторов, имеющих лопатки, загнутые назад ( ), – от 1,4 до 2,3.

Расчет потребляемой мощности ТК и турбогазодувок производится так же, как и для поршневых КМ.

Главная характеристика ТК строится не от развиваемого напора, а от конечного давления p_к. Так как рабочие параметры ТК зависят от температуры и давления всасывания, то необходимо указать, при каких значениях температуры и давления всасывания получены приводимые характеристики.

На рис. 7.9 приведены рабочие характеристики ТК.

Если условия эксплуатации отличаются от условий испытания ТК, то рабочие параметры необходимо пересчитывать.

Рис. 7.9. Рабочие характеристики турбокомпрессора

Очевидно, что при постоянном числе оборотов рабочего колеса объемная производительность машины, отнесенная к условиям всасывания, является величиной постоянной, но массовая производительность может быть различной в зависимости от плотности всасываемого газа:

(7.33)

Объемная производительность, приведенная к каким-либо стандартным техническим условиям, пропорциональна массовой производительности и обратно пропорциональна плотности газа:

(7.34)

где _н и _ст – плотность газа при нормальных и стандартных условиях соответственно.

Для воздуха _н = 1,293 кг/м³, _ст = 1,2 кг/м³.

Следовательно, как массовая, так и приведенная объемная производительность ТК изменяется прямо пропорционально давлению всасываемого газа и обратно пропорционально газовой постоянной и абсолютной температуре.

Увеличение температуры всасываемого газа при n = const приводит к уменьшению массовой производительности и снижению давления нагнетания. Следовательно, при этом меняются характеристики машины.

Наличие рабочих характеристик ТК позволяет правильно использовать данную машину и выбрать наилучший режим её эксплуатации. Для этого необходимо иметь характеристику сети компрессорной установки. Обычно при движении газа в сети имеет место развитый турбулентный режим, т.е. зона гидравлического сопротивления квадратичная. Тогда характеристика сети может быть выражена уравнением:

(7.35)

где – разность давлений на концах сети.

Крутизна характеристики сети зависит от коэффициента : чем больше , тем круче кривая.

На рис. 7.10 представлена характеристика ТК и сети. Точка В на пересечении двух характеристик – ТК и сети – является рабочей точкой компрессорной установки. На графике определена зона приемлемых КПД по расходу: от до .

Регулирования работы ТК. Регулирование работы центробежной машины может иметь целью:

– поддержание постоянной объемной подачи машины при колебаниях сопротивления сети;

– поддержание постоянного давления в сети при изменениях расхода сжатого газа;

– изменение объемного расхода сжатого газа.

Рис. 7.10. Определение рабочей точки компрессорной установки

Как известно, рабочий режим центробежной машины определяется точкой пересечения рабочей характеристики машины с характеристикой сети. Поэтому регулирование их работы осуществляется путем регулирования сочетания изменения характеристики сети с изменением рабочей характеристики машины.

Регулирование с целью постоянной подачи имеет в виду перемещения рабочей точки машины по прямой, параллельной оси ординат, и осуществляется при одновременном изменении рабочей характеристики машины и характеристики сети (рис. 7.11, a). Поддержание постоянного давления осуществляется также одновременным изменением характеристики машины и характеристики сети (рис. 7.11, б).

а) б)

Рис. 7.11. Регулирование работы центробежной машины: а – поддержание постоянной подачи; б – поддержание постоянного давления

Регулирование объемной подачи машины можно осуществить изменением характеристики сети или изменением характеристики машины, а также одновременным изменением характеристики машины и сети.

Характеристику сети, согласно формуле (7.36), можно изменить, влияя на и (дросселирование на нагнетательной линии).

Для изменения рабочей характеристики машины можно использовать следующие методы:

– изменение числа оборотов рабочих колес;

– дросселирование на всасывающей линии при n = const (уменьшение p_вс);

– частичный выпуск сжатого газа из нагнетательной линии во всасывающую или в атмосферу при n = const.