9.4. Основные процессы в одноступенчатом компрессоре

Компрессоры и детандеры (турбины) являются важнейшими частями энергетических установок, и от степени их совершенства зависит в целом и КПД установки.

Назначение компрессора состоит в сжатии газа и непрерывной подаче его потребителю. Сжатый газ находит широкое применение в технике, в частности в авиации. Компрессор является одним из основных агрегатов газотурбинных, поршневых и комбинированных авиационных двигателей. В поршневых двигателях сжатие воздуха происходит в цилиндрах. Если двигатель комбинированный, то сжатие воздуха или топливовоздушной смеси (наддув двигателя) предварительно осуществляется в компрессоре.

По способу сжатия воздуха или газа компрессоры можно разделить на две группы:

• к первой относятся объемные компрессоры (поршневые, шестеренчатые, ротационные). Давление в них повышается при непосредственном уменьшении объема газа, поступившего в рабочее пространство компрессора;

• ко второй группе относятся центробежные, осевые и диагональные компрессоры, последние из которых по своим характеристикам является промежуточными между центробежными и осевыми компрессорами.

Во всех этих компрессорах сжатие осуществляется как бы в два этапа. На первом этапе газ получает некоторую скорость, приобретает кинетическую энергию. На втором происходит преобразование кинетической энергии в потенциальную энергию давления.

Несмотря на конструктивные различия компрессоров термодинамические процессы сжатия, происходящие в них, одинаковы. Поэтому термодинамические основы процессов сжатия газа или воздуха рассмотрим применительно к поршневому компрессору как наиболее простому.

О дноцилиндровый поршневой компрессор (рис. 9.6) состоит из цилиндра 1 с поршнем 2, который движется возвратно-поступательно, и двух клапанов: всасывающего 3 и нагнетающего 4.

При ходе поршня вправо открывается всасывающий клапан 3, и в цилиндр при неизменном давлении поступает газ. При обратном ходе поршня и закрытых клапанах этот газ сжимается. После того как в результате сжатия будет достигнуто заданное давление, открывается нагнетательный клапан 4, и при движении поршня справа налево происходит выталкивание сжатого газа (при постоянном давлении) к потребителю. В поршневом компрессоре не весь объем, соответствующий одному ходу поршня, может быть использован для всасывания новой порции газа за счет так называемого вредного пространства, которое остается между поршнем и головкой цилиндра, когда поршень находится в крайнем (ближнем к головке) положении. В идеальном поршневом компрессоре вредным пространством и, как следствие, расширением газа перед процессом всасывания, пренебрегают.

Рабочая диаграмма компрессора в координатах р – V имеет вид (рис. 9.7, а), где А–В – линия всасывания газа в цилиндр, В–С – линия сжатия, C–D – линия выталкивания.

Так как процессы А–В и C–D не являются термодинамическими и идут с неизменными параметрами, то совокупность процессов, изображенных на рис. 9.7, а, не является замкнутым термодинамическим процессом (циклом).

Л иния сжатия в зависимости от количества теплоты, отбираемого от газа при его сжатии (интенсивности охлаждения компрессора), может быть изотермой В–С', адиабатой В–С" и политропой В–С. Указанные термодинамические процессы изображены TS–диаграмме (рис. 9.7, б). Работа, затраченная на получение 1 кг сжатого газа в одноступенчатом компрессоре, графически изображается пл. ABCD (рис. 9.7, а) и является алгебраической суммой площадей:

пл. ABCD = пл. CDOE + пл. BCEF – пл. ABFO,

где пл. CDOE = – работа выталкивания;

пл. BCEF = – работа сжатия;

пл. ABFO = – работа всасывания.

Значение работы, затрачиваемой на сжатие, всегда отрицательно (v₁ > v₂, dv < 0). Отрицательна и работа выталкивания, так как в процессе выталкивания работа производится над газом. Наконец, работа в процессе всасывания положительна, так как в этом случае поступающий газ совершает (отдает) работу.

Следовательно, суммарная работа равна:

. (9.1)

Эта работа является технической работой процесса сжатия.