2.2. Классификация компрессорных машин динамического действия

На рис. 2.3. приведена классификация компрессорных машин динамического действия, а на рис. 2.4. – принципиальные схемы, показывающие характер движения газового потока в турбокомпрессорных машинах.

Рис. 2.3. Классификация компрессорных машин динамического действия

а) б) в) г)

Рис. 2.4. Принцип действия турбокомпрессоров: а) осевой компрессор (ОК); б) центробежный компрессор (ЦК); в) диагональный компрессор (ДК); г) вихревой компрессор (ВК)

В осевом компрессоре поток газа в меридиональной плоскости имеет осевое направление. В центробежном компрессоре – в основном радиальное (от центра к периферии) направление. В диагональном компрессоре – направление промежуточное между осевым и радиальным. В проточной части вихревого компрессора в радиальной плоскости поток газа имеет сложное вихревое движение, по ходу которого частицы газа неоднократно попадают в межлопаточные каналы и выходят из них.

Принцип действия турбокомпрессоров заключается в том, что в рабочем колесе к газу подводится энергия, которая идет на увеличение кинетической энергии (скорости) и потенциальной энергии (давление). При движении газа в неподвижных элементах компрессора его кинетическая энергия преобразуется в давление (газ тормозится).

Сформулируем основные преимущества и недостатки турбокомпрессоров по сравнению с компрессорами объемного принципа действия.

Достоинства турбокомпрессоров:

1. Большая производительность.

2. Невысокие массогабаритные показатели, обусловленные большой производительностью и непрерывностью подачи газа.

3. Отсутствие возвратно–поступательно движущихся элементов конструкции упрощает эксплуатацию и снижает требования к фундаменту.

4. Чистота сжимаемого газа (смазочное масло практически не попадает в проточную часть).

5. Отсутствие пульсаций газа на выходе из компрессора (отсутствует необходимость в установке ресивера).

6. Возможность непосредственного (без редуктора) соединения компрессора с мощным быстроходным приводом (газовой или паровой турбиной).

7. Большие межремонтные сроки эксплуатации.

Недостатки турбокомпрессоров:

1. Невысокая степень повышения давления π_к≤20-25; в одной ступени π≤1,5-2 (авиационные ступени π≤10-12).

2. Трудность создания экономичных турбокомпрессоров,особенно осевых, имеющих малую производительность (G≤1 кг/с).

3. Неустойчивая работа компрессора в области малых расходов (вращающийся срыв, помпаж).

2.3. Принцип действия поршневых компрессоров

Продольный разрез одноступенчатого поршневого компрессорапоказана на рис. 2.5. Привод компрессора осуществляется от двигателя с наибольшим числом оборотов, который вращает коленчатый. С помощью шатуна вращательное движение преобразуется в возвратно-поступательное движение ползуна, который движется в направляющих и соединен с штоком поршня. Место прохода штока в левую полость цилиндра уплотняется сальником. Здесь обе полости цилиндра рабочие, поэтому компрессор называется компрессором двойного действия в отличие от компрессоров простого действия, у которых только одна рабочая полость.

Рис. 2.5. Продольный разрез одноступенчатого поршневого компрессора 1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – коленчатый вал; 4 – шатун; 5 – ползун; 6 – направляющие; 7 – шток; 8 – сальник; 9 – противовес; 10 – поршневые кольца; 11 – водяная рубашка; 12 – кожух; 13 – клапан

Рабочий процесс в поршневом компрессоре осуществляется за четыре этапа:

1. расширение газа во вредном пространстве цилиндра компрессора (в клапанах и околоклапанном пространстве, в зазоре между крышкой цилиндра, соответствующей крайнему положению поршня называемому верхней мёртвой точкой «ВМТ»);

2. всасывание (расширение и всасывание происходят при движении поршня на длине хода поршня; при этом всасывающий клапан открывается не сразу, а лишь после того, как газ, находящийся во вредном пространстве цилиндра, расширится, и его давление станет меньше давления во всасывающей линии, в этот момент откроется всасывающий клапан, и газ начнет поступать в цилиндр компрессора);

3. сжатие (происходит при движении поршня от ВМТ до нижней мёртвой точки «НМТ»);

4. нагнетание (происходит при движении поршня от НМТ  до ВМТ; нагнетание газа в трубопровод начинается тогда, когда давление газа в цилиндре превысит давление в нагнетательной линии, в этот момент откроется выпускной клапан, и газ начнет поступать в трубопровод).

Расширение и сжатие газа в компрессоре связаны с изменением его температуры и являются объектом изучения технической термодинамики.

Характер изменения объема газа зависит от условий теплообмена между газом, деталями компрессора и окружающей средой. В зависимости от этого сжатие или расширение могут происходить:

• без теплообмена (адиабатический процесс); т. е. с нагревом газа при его сжатии или охлаждением газа при его расширении;

• с частичным теплообменом (политропический процесс);

• с полным теплообменом (изотермический процесс), т.е. с сохранением одной и той же, постоянной при сжатии и расширении, температуры газа.

Как видно из определений, адиабатический и изотермический процессы являются частными случаями политропического процесса.

Политропический процесс изменения состояния идеального газа удовлетворяет уравнению:

P · vⁿ = const, (2.1)

где P - давление; v–удельныйобъем газа; n - показатель политропы.

При адиабатических процессах m обозначается через k и называется показателем адиабаты и равен 1,67 для одноатомных газов, 1,4...1,41 для двухатомных и 1,2...1,3 для трех- и многоатомных газов.

При изотермическом процессе m = 1.

Из условий работы поршневого компрессора видно, что процессы сжатия и расширения газа происходят в основном при политропическом процессе.

Изменение температуры газа можно определить, используя уравнение состояния идеального газа:

Р · v = R · T, (2.2)

где R - газовая постоянная; Т - абсолютная температура газа в цилиндре в °К.

Для политропического процесса температура после сжатия равна:

    (2.3)

где Т₂ - конечная температура газа после сжатия;Т₁ - начальная температура газа в °К.