Sprężarka odśrodkowa - Centrifugal compressor

Sprężarka odśrodkowa działa jak pompa odśrodkowa z wirnikiem

Wirnik sprężarki odśrodkowej

Przekrój silnika odrzutowego pokazujący sprężarkę odśrodkową i inne części

Sprężarki odśrodkowe , czasami nazywane sprężarkami promieniowymi , są podklasą dynamicznych, osiowo-symetrycznych maszyn wirnikowych pochłaniających pracę .

Osiągają wzrost ciśnienia poprzez dodanie energii / prędkości kinetycznej do ciągłego przepływu płynu przez wirnik lub wirnik . Ta energia kinetyczna jest następnie przekształcana we wzrost energii potencjalnej /ciśnienia statycznego poprzez spowolnienie przepływu przez dyfuzor. Wzrost ciśnienia w wirniku jest w większości przypadków prawie równy wzrostowi w dyfuzorze.

Teoria operacji

W przypadku, gdy przepływ przechodzi przez prostą rurę do sprężarki odśrodkowej, przepływ jest osiowy, równomierny i nie ma wirowości, czyli ruchu wirowego. Gdy przepływ przepływa przez wirnik odśrodkowy, wirnik zmusza przepływ do szybszego wirowania w miarę oddalania się od osi obrotu. Zgodnie z formą równania dynamiki płynów Eulera , znanego jako równanie pompy i turbiny , wkład energii do płynu jest proporcjonalny do lokalnej prędkości wirowania przepływu pomnożonej przez lokalną prędkość styczną wirnika .

W wielu przypadkach strumień opuszczający wirnik odśrodkowy porusza się z prędkością bliską prędkości dźwięku . Następnie przepływa przez stacjonarną sprężarkę, powodując jej spowolnienie. Sprężarka stacjonarna pracuje w kanałach o zwiększającej się powierzchni przepływu, w której zachodzi przemiana energii. Jeśli przepływ musi być skierowany do tyłu, aby dostać się do następnej części maszyny, np. innego wirnika lub komory spalania, straty przepływu można zmniejszyć, kierując przepływ za pomocą stacjonarnych łopatek obrotowych lub pojedynczych rur obrotowych (dyfuzory rurowe). Jak opisano w zasadzie Bernoulliego , zmniejszenie prędkości powoduje wzrost ciśnienia.

Wkłady historyczne, pionierzy

W ciągu ostatnich 100 lat naukowcy praktycy, w tym Stodola (1903, 1927–1945), Pfleiderer (1952), Hawthorne (1964), Shepard (1956), Lakshminarayana (1996) i Japikse (wiele tekstów, w tym inżynierów w podstawach maszyn wirnikowych. Zrozumienia te mają zastosowanie do wszystkich dynamicznych pomp, wentylatorów, dmuchaw i sprężarek o przepływie ciągłym, osiowo-symetrycznych w konfiguracjach osiowych, o przepływie mieszanym i promieniowych/odśrodkowych.

Ta zależność jest powodem, dla którego postępy w turbinach i sprężarkach osiowych często trafiają do innych maszyn wirnikowych, w tym sprężarek odśrodkowych. Rysunki 1.1 i 1.2 ilustrują dziedzinę maszyn wirnikowych z etykietami przedstawiającymi sprężarki odśrodkowe. Udoskonalenia sprężarek odśrodkowych nie zostały osiągnięte dzięki dużym odkryciom. Ulepszenia osiągnięto raczej dzięki zrozumieniu i zastosowaniu kolejnych fragmentów wiedzy odkrywanych przez wiele osób.

Rysunek 1.1 przedstawia domenę aero - termo maszyn wirnikowych. Oś pozioma reprezentuje równanie energii wyprowadzone z Pierwszej zasady termodynamiki . Oś pionowa, którą można scharakteryzować liczbą Macha, reprezentuje zakres ściśliwości (lub elastyczności) płynu. Oś Z, którą można scharakteryzować liczbą Reynoldsa , reprezentuje zakres lepkości płynu (lub lepkości). Matematycy i fizycy, który ustanowił podwaliny tego aero-Thermo domeny należą: Isaac Newton , Daniel Bernoulli , Leonhard Euler , Claude-Louis Navier , George Stokes , Ernst Mach , Nikołaj Żukowski , Martin Kutta , Ludwiga Prandtla , Theodore von Karman , Paul Richard Heinrich Blasius i Henri Coandă .

Rysunek 1.2 przedstawia fizyczną lub mechaniczną domenę maszyn wirnikowych. Ponownie oś pozioma reprezentuje równanie energii z turbinami wytwarzającymi energię po lewej stronie i sprężarkami pochłaniającymi energię po prawej stronie. W dziedzinie fizycznej oś pionowa rozróżnia wysokie i niskie prędkości w zależności od zastosowania w maszynie wirnikowej. Oś Z rozróżnia geometrię przepływu osiowego i geometrię przepływu promieniowego w fizycznej domenie maszyn wirnikowych. Zakłada się, że maszyny przepływowe o mieszanym przepływie leżą między osią a promieniem. Kluczowi współtwórcy osiągnięć technicznych, które posunęły do przodu praktyczne zastosowanie maszyn wirnikowych, to: Denis Papin , Kernelien Le Demour, Daniel Gabriel Fahrenheit , John Smeaton, Dr. ACE Rateau, John Barber , Alexander Sablukov , Sir Charles Algernon Parsons , Ægidius Elling , Sanford Alexander Moss , Willis Carrier , Adolf Busemann , Hermann Schlichting , Frank Whittle i Hans von Ohain .

Rysunek 1.1 – Domena aerotermiczna maszyn wirnikowych
Rysunek 1.2 – Domena fizyczna maszyn wirnikowych

Częściowa oś czasu

<1689	Wczesne maszyny turbo	Pompy, dmuchawy, wentylatory
1689	Denis Papin	Pochodzenie sprężarki odśrodkowej
1754	Leonhard Euler	Równanie Eulera „Pompa i turbina”
1791	John Barber	Pierwszy patent na turbinę gazową
1899	Wskaźnik ACE	Pierwsza praktyczna sprężarka odśrodkowa
1927	Aurel Boleslav Stodola	Sformalizowany „współczynnik poślizgu”
1928	Adolfa Busemanna	Pochodny „współczynnik poślizgu”
1937	Frank Whittle i Hans von Ohain niezależnie	Pierwsza turbina gazowa wykorzystująca sprężarkę odśrodkową
>1970	Nowoczesne maszyny wirnikowe	3D-CFD, turbopompy rakietowe, pompy wspomagania serca, turbodoładowane ogniwa paliwowe

Podobieństwa w maszynach wirnikowych

Sprężarki odśrodkowe są pod wieloma względami podobne do innych maszyn wirnikowych i są porównywane i skontrastowane w następujący sposób:

Podobieństwa do sprężarki osiowej

Przekrój przedstawiający turbinę gazową sprężarki osiowo-odśrodkowej

Sprężarki odśrodkowe są podobne do sprężarek osiowych , ponieważ są obrotowymi sprężarkami płatowymi. Oba są pokazane na sąsiednim zdjęciu silnika z 5 stopniami sprężarki osiowej i 1 stopniem sprężarki odśrodkowej. Pierwsza część wirnika odśrodkowego wygląda bardzo podobnie do sprężarki osiowej. Ta pierwsza część wirnika odśrodkowego jest również nazywana induktorem . Sprężarki odśrodkowe różnią się od osiowych, ponieważ wykorzystują znaczną zmianę promienia od wlotu do wylotu wirnika, aby wytworzyć znacznie większy wzrost ciśnienia w jednym stopniu (np. 8 w serii silników śmigłowców Pratt & Whitney Canada PW200 ) niż w przypadku sprężarek osiowych scena. Niemiecki eksperymentalny silnik Heinkel HeS 011 z lat czterdziestych XX wieku był pierwszym lotnictwem turboodrzutowym wyposażonym w stopień sprężarki z promieniowym przepływem obracającym się częściowo między zerem dla osi i 90 stopni dla odśrodkowego. Jest znany jako sprężarka o przepływie mieszanym/przekątnym. Stolik diagonalny jest używany w małych wentylatorach turbo Pratt & Whitney Canada PW600 .

Wentylator promieniowy

Niskoobrotowa, niskociśnieniowa sprężarka odśrodkowa lub wentylator odśrodkowy , ze stożkiem wylotowym skierowanym w górę, służącym do rozpraszania prędkości powietrza

Wentylator klatkowy bez dyfuzora wylotowego

Sprężarki odśrodkowe są również podobne do wentylatorów odśrodkowych w stylu pokazanym na sąsiednim rysunku, ponieważ obie zwiększają energię przepływu poprzez coraz większy promień. W przeciwieństwie do wentylatorów odśrodkowych, sprężarki działają z wyższymi prędkościami, generując większe wzrosty ciśnienia. W wielu przypadkach metody inżynieryjne stosowane do projektowania wentylatora odśrodkowego są takie same jak przy projektowaniu sprężarki odśrodkowej, więc mogą wyglądać bardzo podobnie.

Ta zależność jest mniej prawdziwa w porównaniu z wentylatorem klatkowym pokazanym na załączonym rysunku.

Dla celów uogólnienia i definicji można powiedzieć, że sprężarki odśrodkowe często wykazują wzrost gęstości większy niż 5%. Ponadto często doświadczają względnych prędkości płynu powyżej liczby Macha 0,3, gdy płynem roboczym jest powietrze lub azot. W przeciwieństwie do tego wentylatory lub dmuchawy są często uważane za wykazujące wzrost gęstości o mniej niż pięć procent i szczytowe prędkości względne płynu poniżej 0,3 Macha.

Pompa wirowa

Model bryły 3D typu pompy odśrodkowej

Wycięcie pompy odśrodkowej

Sprężarki odśrodkowe są również podobne do pomp odśrodkowych w stylu pokazanym na sąsiednich rysunkach. Kluczową różnicą między takimi sprężarkami a pompami jest to, że płyn roboczy sprężarki jest gazem (ściśliwy), a płyn roboczy pompy jest płynny (nieściśliwy). Ponownie, metody inżynieryjne zastosowane do zaprojektowania pompy odśrodkowej są takie same, jak te do zaprojektowania sprężarki odśrodkowej. Jest jednak jedna ważna różnica: potrzeba radzenia sobie z kawitacją w pompach.

Turbina promieniowa

Sprężarki odśrodkowe również wyglądają bardzo podobnie do ich odpowiednika w maszynie wirnikowej, turbiny promieniowej, jak pokazano na rysunku. Podczas gdy sprężarka przenosi energię na przepływ, aby podnieść ciśnienie, turbina działa odwrotnie, pobierając energię z przepływu, zmniejszając w ten sposób ciśnienie. Innymi słowy, moc jest dostarczana do sprężarek i wyprowadzana z turbin.

Turbomaszyny wykorzystujące sprężarki odśrodkowe

Częściowa lista maszyn wirnikowych, które mogą wykorzystywać jedną lub więcej sprężarek odśrodkowych w maszynie, znajduje się tutaj.

Elementy prostej sprężarki odśrodkowej

Prosta sprężarka odśrodkowa składa się z czterech elementów: wlotu, wirnika/wirnika, dyfuzora i kolektora. Rysunek 3.1 przedstawia każdy ze składników ścieżki przepływu, przy czym przepływ (gaz roboczy) wchodzi do wirnika odśrodkowego osiowo od prawej do lewej strony. W wyniku obracania się wirnika zgodnie z ruchem wskazówek zegara, patrząc w dół do sprężarki, przepływ będzie przechodził przez stożek tłoczny spirali, oddalając się od osoby patrzącej na figurę.

Rysunek 3.1 – Wycięty widok turbosprężarki przedstawiający sprężarkę odśrodkową (niebieska) po prawej stronie wirnika

Wlot

Wlot do sprężarki odśrodkowej to zazwyczaj prosta rura. Może zawierać takie elementy, jak zawór, nieruchome łopatki / profile (stosowane do wspomagania wirowania przepływu) oraz oprzyrządowanie zarówno do pomiaru ciśnienia, jak i temperatury. Wszystkie te dodatkowe urządzenia mają ważne zastosowania w sterowaniu sprężarką odśrodkową.

Wirnik odśrodkowy

Kluczowym elementem, który sprawia, że sprężarka jest odśrodkowa, jest wirnik odśrodkowy, rysunek 0.1, który zawiera obracający się zestaw łopatek (lub łopatek), który stopniowo zwiększa energię gazu roboczego. Jest to identyczne ze sprężarką osiową, z tą różnicą, że gazy mogą osiągać wyższe prędkości i poziomy energii poprzez rosnący promień wirnika. W wielu nowoczesnych sprężarkach odśrodkowych o wysokiej wydajności gaz opuszczający wirnik porusza się z prędkością bliską prędkości dźwięku.

Wirniki są projektowane w wielu konfiguracjach, w tym „otwarte” (z widocznymi łopatkami), „zakryte lub osłonięte”, „z rozgałęźnikami” (z usuniętymi wszystkimi induktorami) oraz „bez rozgałęźników” (wszystkie pełne łopatki). Oba rysunki 0.1 i 3.1 przedstawiają otwarte wirniki z rozdzielaczami. Większość nowoczesnych wirników o wysokiej wydajności wykorzystuje „backsweep” w kształcie łopatki.

Równanie Eulera pompy i turbiny odgrywa ważną rolę w zrozumieniu działania wirnika.

Dyfuzor

Kolejnym kluczowym elementem prostej sprężarki odśrodkowej jest dyfuzor. Za wirnikiem na ścieżce przepływu dyfuzor jest odpowiedzialny za przekształcenie energii kinetycznej (duża prędkość) gazu w ciśnienie poprzez stopniowe spowalnianie (rozpraszanie) prędkości gazu. Dyfuzory mogą być bezłopatkowe, łopatkowe lub w kombinacji naprzemiennej. Dyfuzory łopatkowe o wysokiej wydajności są również projektowane dla szerokiego zakresu brył od mniej niż 1 do ponad 4. Hybrydowe wersje dyfuzorów łopatkowych obejmują: dyfuzory klinowe, kanałowe i rurowe. Niektóre turbosprężarki nie mają dyfuzora.

Zasada dynamiki płynów Bernoulliego odgrywa ważną rolę w zrozumieniu działania dyfuzora.

Kolektor

Kolektor sprężarki odśrodkowej może przybierać różne kształty i formy. Kiedy dyfuzor wyładowuje się do dużej pustej komory, kolektor można nazwać Plenum . Kiedy dyfuzor wyładowuje się do urządzenia, które wygląda trochę jak muszla ślimaka, róg byka lub róg francuski, kolektor prawdopodobnie zostanie nazwany spiralą lub spiralą . Jak sama nazwa wskazuje, celem kolektora jest zebranie przepływu z pierścienia wylotowego dyfuzora i dostarczenie go do rury wylotowej. Kolektor lub rura mogą również zawierać zawory i oprzyrządowanie do sterowania sprężarką.

Aplikacje

Poniżej znajduje się częściowa lista zastosowań sprężarek odśrodkowych, z których każda zawiera krótki opis niektórych ogólnych cech posiadanych przez te sprężarki. Na początku tej listy wymieniono dwa najbardziej znane zastosowania sprężarek odśrodkowych; turbiny gazowe i turbosprężarki.

Rysunek 4.1 - Przekrój silnika odrzutowego przedstawiający sprężarkę odśrodkową i inne części.

Rysunek 4.2 - Przekrój silnika odrzutowego przedstawiający sprężarkę odśrodkową i inne części.

W turbinach gazowych i agregatach pomocniczych. Nr ref. Rysunki 4.1–4.2
W swojej prostej formie nowoczesne turbiny gazowe działają w cyklu Braytona. (patrz Rysunek 5.1) Do zapewnienia sprężania stosuje się albo sprężarki osiowe, albo odśrodkowe. Typy turbin gazowych, które najczęściej zawierają sprężarki odśrodkowe, obejmują małe silniki lotnicze (tj. turbowały, turbośmigłowe i turbowentylatory), pomocnicze jednostki napędowe i mikroturbiny. Normy branżowe stosowane we wszystkich sprężarkach odśrodkowych stosowanych w samolotach są ustalane przez odpowiednie cywilne i wojskowe organy certyfikujące w celu osiągnięcia bezpieczeństwa i trwałości wymaganej podczas eksploatacji. Wirniki odśrodkowe stosowane w turbinach gazowych są zwykle wykonane z odkuwek ze stopu tytanu. Ich ostrza do ścieżki przepływu są zwykle frezowane bocznie lub frezowane punktowo na frezarkach 5-osiowych. Gdy luzy robocze muszą być jak najmniejsze, bez ocierania się wirnika o osłonę, wirnik jest najpierw rysowany w kształcie ugiętym w wysokiej temperaturze i przy dużej prędkości, a następnie do produkcji w równoważnym zimnym kształcie statycznym. Jest to konieczne, ponieważ ugięcia wirnika w najcięższych warunkach pracy mogą być 100 razy większe niż wymagany luz podczas pracy na gorąco między wirnikiem a jego osłoną.

W turbosprężarkach i sprężarkach silników samochodowych i diesla . Nr ref. Rysunek 1.1
Sprężarki odśrodkowe stosowane w połączeniu z tłokowymi silnikami spalinowymi są znane jako turbosprężarki, jeśli są napędzane przez gazy spalinowe silnika i turbosprężarki, jeśli są napędzane mechanicznie przez silnik. Normy ustanowione przez przemysł dla turbosprężarek mogły zostać ustanowione przez SAE . Idealne właściwości gazu często dobrze sprawdzają się przy projektowaniu, testowaniu i analizie wydajności sprężarki odśrodkowej turbosprężarki.

W sprężarek rurociągów z gazem ziemnym , aby przesunąć gazu z miejsca produkcji do konsumenta.
Sprężarki odśrodkowe do takich zastosowań mogą być jedno- lub wielostopniowe i napędzane przez duże turbiny gazowe. Standardy wyznaczane przez branżę (ANSI/API, ASME) skutkują grubymi osłonami, aby osiągnąć wymagany poziom bezpieczeństwa. Wirniki są często, jeśli nie zawsze, typu osłoniętego, co sprawia, że wyglądają bardzo podobnie do wirników pomp. Ten typ kompresora jest również często określany jako API-style . Moc potrzebna do napędzania tych sprężarek jest najczęściej w tysiącach koni mechanicznych (KM). Wykorzystanie właściwości gazu rzeczywistego jest niezbędne do prawidłowego projektowania, testowania i analizowania wydajności sprężarek odśrodkowych rurociągów gazu ziemnego.

W rafineriach ropy naftowej , przetwórstwie gazu ziemnego , zakładach petrochemicznych i chemicznych .
Sprężarki odśrodkowe do takich zastosowań są często jednowałowe, wielostopniowe i napędzane przez duże turbiny parowe lub gazowe. Ich obudowy są określane jako dzielone poziomo, jeśli wirnik jest opuszczany do dolnej połowy podczas montażu lub beczki, jeśli nie ma podłużnej linii podziału z wirnikiem wsuwanym. Normy określone przez branżę (ANSI/API, ASME) dla tych sprężarek skutkują grubymi osłonkami, aby osiągnąć wymagany poziom bezpieczeństwa. Wirniki są często osłonięte, co sprawia, że wyglądają bardzo podobnie do wirników pomp. Ten typ kompresora jest również często określany jako API-style . Moc potrzebna do napędzania tych sprężarek wynosi zwykle tysiące KM. Wykorzystanie właściwości gazów rzeczywistych jest potrzebne do prawidłowego projektowania, testowania i analizowania ich wydajności.

Klimatyzacja i chłodnictwo oraz HVAC : Sprężarki odśrodkowe dość często zapewniają sprężanie w cyklach agregatów wody lodowej .
Ze względu na dużą różnorodność cykli sprężania pary ( obieg termodynamiczny , termodynamika ) oraz dużą różnorodność gazów roboczych ( czynników chłodniczych ), sprężarki odśrodkowe są stosowane w szerokiej gamie rozmiarów i konfiguracji. Wykorzystanie właściwości gazu rzeczywistego jest potrzebne do prawidłowego projektowania, testowania i analizowania wydajności tych maszyn. Normy ustanowione przez przemysł dla tych sprężarek obejmują ASHRAE, ASME i API.

W przemyśle i produkcji do dostarczania sprężonego powietrza do wszystkich typów narzędzi pneumatycznych .
Sprężarki odśrodkowe do takich zastosowań są często wielostopniowe i napędzane silnikami elektrycznymi. Między etapami często potrzebne jest chłodzenie międzystopniowe, aby kontrolować temperaturę powietrza. Ekipy drogowe i warsztaty samochodowe uważają, że sprężarki śrubowe lepiej dostosowują się do ich potrzeb. Normy ustanowione przez branżę dla tych sprężarek obejmują przepisy ASME i rządowe, które kładą nacisk na bezpieczeństwo. Relacje z gazem idealnym są często wykorzystywane do prawidłowego projektowania, testowania i analizowania wydajności tych maszyn. Równanie Carriera jest często używane do radzenia sobie z wilgocią.

W zakładach separacji powietrza do produkcji oczyszczonych gazów produktu końcowego.
Sprężarki odśrodkowe do takich zastosowań są często wielostopniowe, wykorzystując chłodzenie międzystopniowe do kontrolowania temperatury powietrza. Normy ustanowione przez branżę dla tych sprężarek obejmują przepisy ASME i rządowe, które kładą nacisk na bezpieczeństwo. Relacje z gazem idealnym są często wykorzystywane do prawidłowego projektowania, testowania i analizowania wydajności tych maszyn, gdy gazem roboczym jest powietrze lub azot. Inne gazy wymagają rzeczywistych właściwości gazu.

W polu naftowym ponowny wtrysk gazu ziemnego pod wysokim ciśnieniem w celu poprawy wydobycia ropy naftowej.
Sprężarki odśrodkowe do takich zastosowań są często jednowałowe, wielostopniowe i napędzane turbinami gazowymi. Przy ciśnieniu tłoczenia zbliżonym do 700 barów obudowa ma kształt beczki. Standardy ustanowione przez branżę (API, ASME) dla tych sprężarek skutkują dużymi grubymi obudowami, aby zmaksymalizować bezpieczeństwo. Wirniki są często, jeśli nie zawsze, typu osłoniętego, co sprawia, że wyglądają bardzo podobnie do wirników pomp. Ten typ kompresora jest również często określany jako API-style . Wykorzystanie właściwości gazów rzeczywistych jest potrzebne do prawidłowego projektowania, testowania i analizowania ich wydajności.

Wydajność

Rysunek 5.1 – Ilustracja cyklu Braytona w przypadku turbiny gazowej.

Rysunek 5.2 – Przykładowa mapa wydajności sprężarki odśrodkowej.

Ilustrując cykl Braytona turbiny gazowej, Rysunek 5.1 zawiera przykładowe wykresy objętości właściwej ciśnienia i entropii temperatury. Tego typu wykresy mają podstawowe znaczenie dla zrozumienia wydajności sprężarki odśrodkowej w jednym punkcie pracy. Dwa wykresy pokazują, że ciśnienie rośnie między wlotem sprężarki (stacja 1) a wylotem sprężarki (stacja 2). Jednocześnie zmniejsza się objętość właściwa, a zwiększa się gęstość. Wykres temperatura-entropia pokazuje, że temperatura wzrasta wraz ze wzrostem entropii (straty). Zakładając suche powietrze, równanie stanu gazu doskonałego i proces izentropowy, jest wystarczająco dużo informacji, aby określić stosunek ciśnień i sprawność dla tego jednego punktu. Mapa sprężarki jest wymagana do zrozumienia wydajności sprężarki w całym jej zakresie roboczym.

Rysunek 5.2, mapa wydajności sprężarki odśrodkowej (testowa lub szacunkowa), pokazuje przepływ, stosunek ciśnienia dla każdej z 4 linii prędkości (łącznie 23 punkty danych). Uwzględniono również kontury o stałej wydajności. Wydajność sprężarki odśrodkowej przedstawiona w tej formie zapewnia wystarczającą ilość informacji, aby dopasować sprzęt reprezentowany przez mapę do prostego zestawu wymagań użytkownika końcowego.

W porównaniu do szacowania wydajności, które jest bardzo opłacalne (a więc przydatne w projektowaniu), testowanie, choć kosztowne, jest nadal najdokładniejszą metodą. Co więcej, testowanie wydajności sprężarki odśrodkowej jest bardzo złożone. Towarzystwa zawodowe, takie jak ASME (tj. PTC-10, Fluid Meters Handbook, PTC-19.x), ASHRAE ( ASHRAE Handbook ) i API (ANSI/API 617–2002, 672–2007) ustanowiły standardy szczegółowych metod eksperymentalnych i analiz wyników testów. Pomimo tej złożoności, kilka podstawowych pojęć dotyczących wydajności można przedstawić, analizując przykładową mapę wydajności testu.

Mapy wydajności

Stosunek ciśnienia i przepływ to główne parametry potrzebne do dopasowania mapy wydajności na Rysunku 5.2 do prostej aplikacji sprężarki. W tym przypadku można założyć, że temperatura wlotowa jest standardem na poziomie morza. Założenie to jest nie do przyjęcia w praktyce, ponieważ zmiany temperatury na wlocie powodują znaczne zmiany wydajności sprężarki. Rysunek 5.2 pokazuje:

Skorygowany przepływ masowy: 0,04 – 0,34 kg/s
Całkowity stosunek ciśnień , wlot do wylotu (PR _t-t = P _{t, wylot} /P _{t, wlot} ): 1,0 – 2,6

Zgodnie ze standardową praktyką, Rysunek 5.2 ma oś poziomą oznaczoną parametrem przepływu. Chociaż pomiary przepływu wykorzystują różne jednostki, wszystkie pasują do jednej z 2 kategorii:

Przepływ masowy na jednostkę czasu

W praktyce najłatwiejsze w użyciu są jednostki przepływu masowego, takie jak kg/s, ponieważ nie ma miejsca na pomyłki. Pozostałe pytania dotyczą wlotu lub wylotu (co może wiązać się z wyciekiem ze sprężarki lub kondensacją wilgoci). W przypadku powietrza atmosferycznego przepływ masowy może być mokry lub suchy (z uwzględnieniem lub bez wilgotności). Często specyfikacja przepływu masowego będzie prezentowana na podstawie równoważnej liczby Macha, . W takich przypadkach standardem jest, że równoważna temperatura, równoważne ciśnienie i gaz są określone w sposób wyraźny lub dorozumiany w warunkach standardowych. $m{\sqrt {\theta}}/{\delta}$

Przepływ objętościowy na jednostkę czasu

W przeciwieństwie do tego, wszystkie specyfikacje przepływu objętościowego wymagają dodatkowej specyfikacji gęstości. Zasada dynamiki płynów Bernoulliego ma wielką wartość w zrozumieniu tego problemu. Zamieszanie powstaje z powodu niedokładności lub niewłaściwego użycia stałych ciśnienia, temperatury i gazu.

Podobnie jak w standardowej praktyce, Rysunek 5.2 ma oś pionową oznaczoną parametrem ciśnienia. Istnieje wiele jednostek pomiaru ciśnienia. Wszystkie pasują do jednej z dwóch kategorii:

Ciśnienie delta, czyli wzrost od wlotu do wylotu (mierzone manometrem)
Ciśnienie wylotowe

Wzrost ciśnienia można alternatywnie określić jako stosunek bez jednostek:

Stosunek ciśnienia (wyjście/wlot)

Inne cechy wspólne dla map wydajności to:

Linie o stałej prędkości

Dwie najczęstsze metody tworzenia mapy dla sprężarki odśrodkowej to przy stałej prędkości wału lub przy stałym ustawieniu przepustnicy. Jeśli prędkość jest utrzymywana na stałym poziomie, punkty testowe są pobierane wzdłuż linii stałej prędkości poprzez zmianę pozycji przepustnicy. W przeciwieństwie do tego, jeśli przepustnica jest utrzymywana na stałym poziomie, punkty testowe są ustalane przez zmianę prędkości i powtarzane z różnymi pozycjami przepustnicy (powszechna praktyka turbin gazowych). Mapa pokazana na rysunku 5.2 ilustruje najpowszechniejszą metodę; linie o stałej prędkości. W tym przypadku widzimy punkty danych połączone liniami prostymi przy prędkościach 50%, 71%, 87% i 100% obr./min. Pierwsze trzy linie prędkości mają po 6 punktów każda, podczas gdy linia najwyższej prędkości ma pięć.

Wyspy o stałej wydajności

Kolejną cechą do omówienia są owalne krzywe reprezentujące wyspy o stałej wydajności. Na tej figurze widzimy 11 konturów w zakresie od 56% wydajności (dziesiętnie 0,56) do 76% wydajności (dziesiętnie 0,76). Ogólną standardową praktyką jest interpretowanie tych sprawności jako izentropowych, a nie politropowych. Włączenie wysp wydajnościowych skutecznie generuje trójwymiarową topologię na tej dwuwymiarowej mapie. Przy określonej gęstości wlotu zapewnia dodatkową możliwość obliczania mocy aerodynamicznej. Równie łatwo można zastąpić linie o stałej mocy.

Punkty projektowe lub gwarancyjne

Jeśli chodzi o działanie i wydajność turbiny gazowej, może istnieć szereg gwarantowanych punktów ustalonych dla sprężarki odśrodkowej turbiny gazowej. Wymagania te mają drugorzędne znaczenie dla ogólnej wydajności turbiny gazowej jako całości. Z tego powodu należy jedynie podsumować, że w idealnym przypadku najmniejsze jednostkowe zużycie paliwa wystąpiłoby, gdy krzywa szczytowej sprawności sprężarek odśrodkowych pokrywa się z wymaganą linią pracy turbiny gazowej.

W przeciwieństwie do turbin gazowych, większość innych zastosowań (w tym przemysłowych) musi spełniać mniej rygorystyczne wymagania dotyczące wydajności. Historycznie rzecz biorąc, sprężarki odśrodkowe stosowane w zastosowaniach przemysłowych były potrzebne do uzyskania wydajności przy określonym przepływie i ciśnieniu. Nowoczesne sprężarki przemysłowe są często potrzebne do osiągnięcia określonych celów wydajnościowych w szerokim zakresie przepływów i ciśnień; robiąc w ten sposób znaczący krok w kierunku wyrafinowania widocznego w zastosowaniach turbin gazowych.

Jeśli sprężarka przedstawiona na rysunku 5.2 jest używana w prostej aplikacji, dowolny punkt (ciśnienie i przepływ) w zakresie sprawności 76% zapewniłby bardzo akceptowalną wydajność. „Użytkownik końcowy” byłby bardzo zadowolony z wymagań wydajnościowych przy stosunku ciśnień 2,0 przy 0,21 kg/s.

Wzrost

Udar — jest to zjawisko przepływu przy pracy z niskim masowym natężeniem przepływu, w przypadku którego wirnik nie może dodać energii wystarczającej do pokonania oporów układu lub przeciwciśnienia. Przy pracy z małym masowym natężeniem przepływu stosunek ciśnień na wirniku jest wysoki. Wysokie ciśnienie wsteczne, za wirnikiem, popycha przepływ z powrotem przez końcówki łopatek wirnika w kierunku ucha wirnika (wlotu). Ta szybka zmiana kierunku przepływu (tj. gwałtowny wzrost) wykazuje silną składową obrotową, która wpływa na kąty przepływu na przedniej krawędzi łopatek. Pogorszenie kątów przepływu powoduje, że wirnik jest niesprawny i za nim dostarczany jest mniejszy przepływ. (Dlatego skok jest czasami określany jako osiowo-symetryczne przeciągnięcie). W ten sposób komora za wirnikiem jest opróżniana i (powrotne) ciśnienie spada. W rezultacie mniejszy przepływ zawraca się nad końcówkami wirnika, a przyrosty wirnika znów stają się efektywne. Te cykliczne zdarzenia powodują duże drgania, wzrost temperatury i gwałtowną zmianę nacisku osiowego. Zdarzenia te mogą uszkodzić uszczelki wirnika, łożyska wirnika, sterownik sprężarki i działanie cyklu. Większość maszyn wirnikowych jest zaprojektowana tak, aby z łatwością wytrzymać okazjonalne przeciążenia. Jednakże, jeśli maszyna jest zmuszona do powtarzających się skoków przez długi czas lub jeśli jest źle zaprojektowana, powtarzające się skoki mogą spowodować katastrofalną awarię. Szczególnie interesujące jest to, że chociaż maszyny wirnikowe mogą być bardzo trwałe, cykle/procesy, w których są używane, mogą być znacznie mniej wytrzymałe.

Linia przepięciowa

Linia wzrostu pokazana na rysunku 5.2 to krzywa przechodząca przez najniższe punkty przepływu każdej z czterech linii prędkości. Jako mapa testowa te punkty byłyby najniższymi punktami przepływu możliwymi do zarejestrowania stabilnego odczytu w obiekcie testowym/stanowisku. W wielu zastosowaniach przemysłowych może być konieczne zwiększenie linii przeciągnięcia ze względu na przeciwciśnienie w systemie. Na przykład przy 100% obr./min przepływ może wzrosnąć z około 0,170 kg/s do 0,215 kg/s z powodu dodatniego nachylenia krzywej stosunku ciśnień.

Jak wspomniano wcześniej, powodem tego jest fakt, że linia dużych prędkości na rysunku 5.2 wykazuje charakterystykę przeciągnięcia lub dodatnie nachylenie w tym zakresie przepływów. Po umieszczeniu w innym systemie te niższe przepływy mogą nie być osiągalne z powodu interakcji z tym systemem. Udowodniono matematycznie, że opór systemu lub niekorzystne ciśnienie są krytycznym czynnikiem wpływającym na wzrost ciśnienia w sprężarce.

Maksymalny przepływ w porównaniu z dławikiem

Duszenie występuje w jednym z 2 warunków. Zazwyczaj w przypadku urządzeń o dużej prędkości, gdy przepływ wzrasta, prędkość przepływu może zbliżyć się do prędkości dźwięku gdzieś w stopniu sprężarki. To położenie może występować na „gardzieli” wlotu wirnika lub „gardzieli” wlotu dyfuzora łopatkowego. W przeciwieństwie do tego, w przypadku urządzeń o niższej prędkości, wraz ze wzrostem przepływów, straty wzrastają tak, że stosunek ciśnień ostatecznie spada do 1:1. W takim przypadku wystąpienie ssania jest mało prawdopodobne.

Linie prędkości sprężarek odśrodkowych turbin gazowych zwykle wykazują dławienie. Jest to sytuacja, w której stosunek ciśnień linii prędkości gwałtownie spada (w pionie) z niewielką lub żadną zmianą przepływu. W większości przypadków jest to spowodowane tym, że gdzieś wewnątrz wirnika i/lub dyfuzora osiągnięto prędkości bliskie Mach 1, co powoduje gwałtowny wzrost strat. Sprężarki odśrodkowe turbosprężarki o wyższym stosunku ciśnienia wykazują to samo zjawisko. Rzeczywiste zjawisko dławienia jest funkcją ściśliwości mierzonej lokalną liczbą Macha w obrębie ograniczenia powierzchni w stopniu ciśnienia odśrodkowego.

Linia maksymalnego przepływu, pokazana na rysunku 5.2, to krzywa przechodząca przez najwyższe punkty przepływu każdej linii prędkości. Po oględzinach można zauważyć, że każdy z tych punktów osiągnął sprawność blisko 56%. Wybór niskiej wydajności (<60%) jest najczęstszą praktyką stosowaną do zakończenia map wydajności sprężarki przy dużych przepływach. Innym czynnikiem, który jest używany do ustalenia linii maksymalnego przepływu, jest stosunek ciśnienia bliski lub równy 1. Linia prędkości 50% może być uważana za przykład tego.

Kształt linii prędkości na Rysunku 5.2 stanowi dobry przykład tego, dlaczego niewłaściwe jest używanie terminu dławienie w połączeniu z maksymalnym przepływem wszystkich linii prędkości sprężarki odśrodkowej. W podsumowaniu; większość przemysłowych i komercyjnych sprężarek odśrodkowych jest wybieranych lub zaprojektowanych tak, aby działały z najwyższą wydajnością lub w jej pobliżu i aby uniknąć pracy przy niskich wydajnościach. Z tego powodu rzadko istnieje powód, aby zobrazować wydajność sprężarki odśrodkowej poniżej 60% sprawności.

Wiele przemysłowych i komercyjnych map wydajności wielostopniowych sprężarek wykazuje tę samą charakterystykę pionową z innego powodu, związanego z tzw.

Inne ograniczenia operacyjne

Minimalna prędkość robocza: Minimalna prędkość dla akceptowalnej pracy, poniżej tej wartości sprężarka może być sterowana w celu zatrzymania lub przejścia w stan „bezczynności”.
Maksymalna dopuszczalna prędkość: Maksymalna prędkość robocza sprężarki. Powyżej tej wartości naprężenia mogą wzrosnąć powyżej określonych limitów, a wibracje wirnika mogą gwałtownie wzrosnąć. Przy prędkościach powyżej tego poziomu sprzęt prawdopodobnie stanie się bardzo niebezpieczny i będzie sterowany do niższych prędkości.

Trójkąty prędkości wlotowej dla wirnika sprężarki odśrodkowej
Trójkąty prędkości wyjściowej dla wirnika sprężarki odśrodkowej

Analiza wymiarowa

Aby zważyć zalety między sprężarkami odśrodkowymi, ważne jest porównanie 8 parametrów klasycznych z maszynami wirnikowymi. W szczególności wzrost ciśnienia (p), przepływ (Q), prędkość kątowa (N), moc (P), gęstość (ρ), średnica (D), lepkość (μ) i elastyczność (e). Stwarza to praktyczny problem przy próbie eksperymentalnego określenia wpływu dowolnego parametru. Dzieje się tak, ponieważ samodzielna zmiana jednego z tych parametrów jest prawie niemożliwa.

Metoda procedury znana jako twierdzenie π Buckinghama może pomóc rozwiązać ten problem, generując 5 bezwymiarowych postaci tych parametrów. Te parametry Pi stanowią podstawę „podobieństwa” i „praw powinowactwa” w maszynach wirnikowych. Zapewniają tworzenie dodatkowych relacji (bezwymiarowych) cennych w charakterystyce wykonania.

W poniższym przykładzie Head zastąpimy ciśnieniem, a prędkość dźwięku zastąpimy elastycznością.

Buckingham Π twierdzenie

Trzy niezależne wymiary stosowane w tej procedurze dla maszyn wirnikowych to:

${\ Displaystyle M}$ masa (siła jest alternatywą)
${\ Displaystyle L}$ długość
${\ Displaystyle T}$ czas

Zgodnie z twierdzeniem każdy z ośmiu głównych parametrów jest przyrównany do jego niezależnych wymiarów w następujący sposób:

Pływ	$Q=$	${\ Displaystyle {\ Frac {L ^ {3}} {T}}}$	były. = m ³ /s
Głowa	${\ Displaystyle H =}$	${\ Displaystyle {\ Frac {ML} {T ^ {2}}}}$	były. = kg·m/s ²
Prędkość	$U=$	${\ Displaystyle {\ Frac {L} {T}}}$	były. = m/s
Moc	$P=$	${\ Displaystyle {\ Frac {ML ^ {2}} {T ^ {3}}}}$	były. = kg·m ² /s ³
Gęstość	${\ Displaystyle \ rho =}$	${\ Displaystyle {\ Frac {M} {L ^ {3}}}}$	były. = Kg / m ³
Lepkość	${\ Displaystyle \ mu =}$	${\ Displaystyle {\ Frac {M} {LT}}}$	były. = kg/m·s
Średnica	$D=$	${\ Displaystyle L}$	były. = m
Prędkość dźwięku	$a=$	${\ Displaystyle {\ Frac {L} {T}}}$	były. = m/s

Klasyczne podobieństwo maszyn wirnikowych

Wykonanie zadania polegającego na wykonaniu procedury formalnej skutkuje wygenerowaniem tego klasycznego zestawu pięciu bezwymiarowych parametrów dla maszyn wirnikowych. Pełne podobieństwo uzyskuje się, gdy każdy z 5 parametrów Pi jest równoważny. To oczywiście oznaczałoby, że dwie porównywane maszyny wirnikowe są geometrycznie podobne i pracują w tym samym punkcie pracy.

Współczynnik przepływu	${\ Displaystyle \ Pi _ {1} =}$	${\ Displaystyle {\ Frac {Q} {ND ^ {3}}}}$
Współczynnik głowy	${\ Displaystyle \ Pi _ {2} =}$	${\ Displaystyle {\ Frac {gH} {N ^ {2} D ^ {2}}}}$
Współczynnik prędkości	${\ Displaystyle \ Pi _ {4}=}$	${\ Displaystyle {\ Frac {ND} {a}}}$
Współczynnik mocy	${\ Displaystyle \ Pi _ {3}=}$	${\ Displaystyle {\ Frac {P} {\ rho N ^ {3} D ^ {5}}}}$
Współczynnik Reynoldsa	${\ Displaystyle \ Pi _ {5} =}$	${\ Displaystyle {\ Frac {\ rho ND ^ {2}} {\ mu}}}$

Analitycy Turbomachinery uzyskują ogromny wgląd w wydajność poprzez porównanie tych 5 parametrów z wydajnościami i współczynnikami strat, które również są bezwymiarowe. W ogólnym zastosowaniu współczynnik przepływu i współczynnik wysokości podnoszenia są uważane za najważniejsze. Ogólnie rzecz biorąc, w przypadku sprężarek odśrodkowych współczynnik prędkości ma drugorzędne znaczenie, podczas gdy współczynnik Reynoldsa ma trzeciorzędne znaczenie. W przeciwieństwie do tego, jak oczekiwano w przypadku pomp, liczba Reynoldsa staje się drugorzędna, a współczynnik prędkości prawie nieistotny. Interesujące może być to, że współczynnik prędkości może zostać wybrany do zdefiniowania osi y na rysunku 1.1, podczas gdy w tym samym czasie współczynnik Reynoldsa może zostać wybrany do zdefiniowania osi z.

Inne kombinacje bezwymiarowe

W poniższej tabeli przedstawiono inną wartość analizy wymiarowej. Dowolną liczbę nowych parametrów bezwymiarowych można obliczyć za pomocą wykładników i mnożenia. Na przykład odmiana pierwszego parametru pokazanego poniżej jest popularnie wykorzystywana w analizie układów silnika lotniczego. Trzeci parametr to uproszczona odmiana wymiarowa pierwszego i drugiego. Ta trzecia definicja ma zastosowanie ze ścisłymi ograniczeniami. Czwarty parametr, prędkość właściwa, jest bardzo dobrze znany i użyteczny, ponieważ usuwa średnicę. Piąty parametr, średnica właściwa, jest rzadziej omawianym parametrem bezwymiarowym, przydatnym przez Balje.

1	Skorygowany współczynnik przepływu masowego	${\ Displaystyle \ pi _ {1} \ pi _ {4} =}$	${\ Displaystyle {\ Frac {m} {pD ^ {2}}} \ lewo ({\ Frac {RT} {k}} \ prawej) ^ {0,5}}$
2	Alternatywna równoważna forma Macha nr 1	${\ Displaystyle {\ Frac {m_ {1}} {\ rho _ {1} a_ {1} {D_ {1}} ^ {2} \ cos (\ alfa _ {1})}} =}$	${\ Displaystyle {\ Frac {m_ {2}} {\ rho _ {2} a_ {2} {D_ {2}} ^ {2} \ cos (\ alfa _ {2})}}}$
3	Alternatywna #2 uproszczona forma wymiarowa	${\ Displaystyle {\ Frac {m_ {1} {t_ {1}} ^ {0,5}} {p_ {1}}} =}$	${\ Displaystyle {\ Frac {m_ {2} {t_ {2}} ^ {0,5}} {p_ {2}}}}$
4	Określony współczynnik prędkości	${\ Displaystyle {\ Frac {{\ Pi _ {1}} ^ {0,5}} {\ Pi _ {2}} ^ {0,75}}} =}$	${\ Displaystyle {\ Frac {NQ ^ {0,5}} {(gH) ^ {0,75}}}}$
5	Współczynnik średnicy właściwej	${\ Displaystyle {\ Frac {{\ Pi _ {2}} ^ {0,25} {{\ Pi _ {1}} ^ {0,5}}} =}$	${\ Displaystyle {\ Frac {D (gH) ^ {0,25}} {Q ^ {0,5}}}}$

Interesujące może być to, że określony współczynnik prędkości może być użyty zamiast prędkości do zdefiniowania osi y na rysunku 1.2, podczas gdy w tym samym czasie współczynnik średnicy właściwej może zastąpić średnicę do zdefiniowania osi z.

Prawa powinowactwa

Poniższe prawa powinowactwa pochodzą z pięciu parametrów Π pokazanych powyżej. Zapewniają prostą podstawę do skalowania maszyn wirnikowych z jednej aplikacji do drugiej.

Od współczynnika przepływu	${\frac {Q_{1}}{Q_{2}}}=$	${\frac {N_{1}}{N_{2}}}=$	${\ Displaystyle \ lewo ({\ Frac {D_ {1}} {D_ {2}}} \ po prawej) ^ {3}}$
Od współczynnika głowy	${\frac {H_{1}}{H_{2}}}=$	${\ Displaystyle \ lewo ({\ Frac {N_ {1}} {N_ {2}}} \ po prawej) ^ {2} =}$	${\ Displaystyle \ lewo ({\ Frac {D_ {1}} {D_ {2}}} \ po prawej) ^ {2}}$
Od współczynnika mocy	${\frac {P_{1}}{P_{2}}}=$	${\ Displaystyle \ lewo ({\ Frac {N_ {1}} {N_ {2}}} \ po prawej) ^ {3} =}$	${\ Displaystyle \ lewo ({\ Frac {D_ {1}} {D_ {2}}} \ po prawej) ^ {5}}$

Podstawy aerotermodynamiczne

Poniższe równania przedstawiają w pełni trójwymiarowy problem matematyczny, który jest bardzo trudny do rozwiązania nawet przy upraszczających założeniach. Do niedawna ograniczenia mocy obliczeniowej zmuszały do uproszczenia tych równań do dwuwymiarowego problemu Inviscid z pseudostratami. Przed pojawieniem się komputerów równania te były prawie zawsze upraszczane do problemu jednowymiarowego.

Rozwiązanie tego jednowymiarowego problemu jest nadal cenne i często nazywane jest analizą linii średniej . Nawet przy tych wszystkich uproszczeniach, to wciąż wymaga dużych podręczników do naszkicowania i dużych programów komputerowych do praktycznego rozwiązania.

Ochrona masy

Nazywane również ciągłością , to podstawowe równanie zapisane w ogólnej formie ma następującą postać:

{\ Displaystyle {\ Frac {\ częściowy \ rho} {\ częściowy t}} + \ nabla \ cdot (\ rho \ mathbf {v}) = 0}

Zachowanie pędu

Nazywany również równaniami Naviera-Stokesa , ta podstawa jest wyprowadzona z drugiego prawa Newtona po zastosowaniu do ruchu płynu . Zapisane w postaci ściśliwej dla płynu newtonowskiego równanie to można zapisać w następujący sposób:

{\ Displaystyle \ rho \ lewo ({\ Frac {\ częściowy \ mathbf {v}} {\ częściowy t}} + \ mathbf {v} \ cdot \ nabla \ mathbf {v} \ prawej) = - \ nabla p + \ mu \nabla ^{2}\mathbf {v} +\left({\frac {1}{3}}\mu +\mu ^{v}\right)\nabla \left(\nabla \cdot \mathbf { v} \right)+\mathbf {f} }

Oszczędzanie energii

Pierwsza zasada termodynamiki jest stwierdzenie zachowania energii. W określonych warunkach praca sprężarki odśrodkowej jest uważana za proces odwracalny. W przypadku procesu odwracalnego całkowitą ilość ciepła dodanego do systemu można wyrazić jako gdzie jest temperaturą i jest entropią . Dlatego w przypadku procesu odwracalnego: ${\ Displaystyle \ delta Q = TdS}$ ${\ Displaystyle T}$ $S$

{\ Displaystyle dU = TdS-PDV. \,}

Ponieważ U, S i V są termodynamicznymi funkcjami stanu, powyższa zależność obowiązuje również dla zmian nieodwracalnych. Powyższe równanie jest znane jako fundamentalna relacja termodynamiczna .

Równanie stanu

Klasyczne prawo gazu doskonałego można zapisać:

{\ Displaystyle {\ pV = nRT}.}

Prawo gazu doskonałego można również wyrazić w następujący sposób:

{\ Displaystyle {\ p = \ rho (\ gamma -1) U}}

gdzie jest gęstością, jest wskaźnikiem adiabatycznym ( stosunek ciepła właściwego ), jest energią wewnętrzną na jednostkę masy ("właściwą energią wewnętrzną"), jest ciepłem właściwym przy stałej objętości i jest ciepłem właściwym przy stałym ciśnieniu. ${\ Displaystyle \ rho}$ ${\ Displaystyle \ gamma = C_ {p} / C_ {v}}$ ${\ Displaystyle U = C_ {v} T}$ $C_{v}$ $C_{p}$

W odniesieniu do równania stanu należy pamiętać, że podczas gdy właściwości powietrza i azotu (w pobliżu standardowych warunków atmosferycznych) można łatwo i dokładnie oszacować za pomocą tej prostej zależności, istnieje wiele zastosowań sprężarek odśrodkowych, w których idealna zależność jest niewystarczająca. Na przykład sprężarki odśrodkowe stosowane w dużych systemach klimatyzacyjnych (agregaty wody lodowej) wykorzystują czynnik chłodniczy jako gaz roboczy, którego nie można zamodelować jako gazu doskonałego. Innym przykładem są konstrukcje i konstrukcje sprężarek odśrodkowych dla przemysłu naftowego. Większość gazów węglowodorowych, takich jak metan i etylen, najlepiej modelować jako rzeczywiste równanie stanu gazu, a nie jako gazy idealne. Wpis w Wikipedii dotyczący równań stanu jest bardzo dokładny.

Plusy i minusy

Plusy

Sprężarki odśrodkowe oferują zalety prostoty produkcji i stosunkowo niskich kosztów. Wynika to z konieczności mniejszej liczby etapów, aby osiągnąć ten sam wzrost ciśnienia.
Sprężarki odśrodkowe są używane w całym przemyśle, ponieważ mają mniej części trących, są stosunkowo energooszczędne i zapewniają wyższy i nieoscylujący stały przepływ powietrza niż sprężarki tłokowe podobnej wielkości lub jakakolwiek inna pompa wyporowa .
Sprężarki odśrodkowe są najczęściej używane jako turbosprężarki oraz w małych silnikach z turbiną gazową , takich jak APU ( pomocniczy zespół napędowy ) oraz jako silnik główny w mniejszych samolotach, takich jak helikoptery . Istotnym powodem tego jest fakt, że przy obecnej technologii sprężarka osiowa z równoważnym przepływem powietrza będzie mniej wydajna, głównie ze względu na kombinację strat luzu wirnika i zmiennego stojana.

Cons

Ich główną wadą jest to, że nie mogą osiągnąć wysokiego stopnia sprężania sprężarek tłokowych bez wielu stopni. Istnieje kilka jednostopniowych sprężarek odśrodkowych zdolnych do pracy ze stosunkiem ciśnień powyżej 10:1, ze względu na względy naprężeń, które poważnie ograniczają bezpieczeństwo, trwałość i przewidywaną żywotność sprężarki.
Sprężarki odśrodkowe są niepraktyczne w porównaniu ze sprężarkami osiowymi, do stosowania w dużych turbinach gazowych i silnikach turboodrzutowych napędzających duże samoloty, ze względu na wynikowy ciężar i naprężenia oraz ze względu na obszar czołowy, który stanowi duża średnica dyfuzora promieniowego.

Mechanika konstrukcji, produkcja i kompromis projektowy

Idealnie, wirniki sprężarek odśrodkowych mają cienkie, powietrzne łopatki, które są mocne, każde zamontowane na lekkim wirniku. Ten materiał byłby łatwy w obróbce lub odlewaniu i niedrogi. Dodatkowo nie generuje hałasu podczas pracy i ma długą żywotność podczas pracy w dowolnym środowisku.

Od samego początku procesu projektowania aerotermodynamicznego względy aerodynamiczne i optymalizacje [29,30] mają kluczowe znaczenie dla pomyślnego projektu. podczas projektowania należy uwzględnić materiał i metodę produkcji wirnika odśrodkowego, niezależnie od tego, czy jest to plastik w przypadku dmuchawy odkurzacza, stop aluminium w przypadku turbosprężarki, stop stali w przypadku sprężarki powietrza czy stop tytanu w przypadku turbiny gazowej. Jest to połączenie kształtu wirnika sprężarki odśrodkowej, środowiska pracy, materiału i metody produkcji, które określają integralność strukturalną wirnika.

Languages

In other projects