Ступень центробежного компрессора

Рабочее колесо а, кольцевой отвод (диффузор), направляющий аппарат в, взятые совместно, называют ступенью давления или просто ступенью компрессора (рис. 13.14). Рабочее колесо и обратный направляющий аппарат разделены диафрагмой г. В многоступенчатых компрессорах ступени включены в поток газа последовательно.

Рис. 13.14. Схема ступени центробежного компрессора

При протекании газа через каналы ступени состояние его изменяется в результате передачи энергии потоку рабочим колесом, газового трения, вихреобразования и теплообмена со средой, окружающей компрессор. Запишем баланс работы потока на участке 1 – 2, Дж / кг, [см. формулу (12.16) и рис. 13.14].

Энергия газа в сечении 1 на входе в межлопастные каналы

.

Энергия, передаваемая газу рабочими лопастями, по уравнению Эйлера

.

Энергия газа в выходном сечении 2 межлопастных каналов

.

Если от газа, проходящего через рабочее колесо, передаётся в окружающую среду количество теплоты q, то уравнение баланса энергии можно записать так:

.

Следовательно, конечная температура сжатия в колесе

. (13.22)

Предполагая процесс изоэнтропным, получаем

. (13.23)

При изоэнтропном сжатии газа

.

Из двух последних уравнений следует

. (13.24)

Уравнения (13.22) и (13.23) связывают термодинамические факторы T, p и c_p с размерами, частотой вращения и формой лопастей рабочего колеса компрессора. Эти уравнения опытами не подтверждаются, потому что действительный процесс сжатия в рабочем колесе неизоэнтропен.

Высокие скорости газа в межлопастных каналах ступени обуславливают существенные потери от трения и вихреобразования и переход части энергии газового потока в теплоту. При этом действительный процесс сжатия оказывается близким кА политропному с показателем n:

.

Вместе с тем отвод теплоты от потока газа в колесе во внешнюю среду незначителен, и для процесса сжатия в этом случае можно полагать q = 0 и

. (13.25)

где n = 1, 5 – 1, 62

В практике расчётов и оценки ступеней центробежных компрессоров с неинтенсивным охлаждением пользуются изоэнтропным КПД [см. формулу (12.26)]. Решив совместно уравнения (13.22) и (13.25) при условии q = 0 и использовав выражение η _a через степени сжатия при изоэнтропном и политропном процессах, получим

. (13.26)

Изоэнтропный КПД стационарных центробежных компрессоров находится в пределах η _a = 0, 80 – 0, 90. Уравнением (13.26) можно пользоваться для ориентировочного расчёта конечного давления в рабочем колесе ступени компрессора.

В направляющих аппаратах компрессора энергия потоку газа извне не передаётся; здесь происходит только преобразование кинетической энергии в потенциальную или наоборот.

Если полагать, что теплообмена с окружающей средой нет, то энергетический баланс потока на участке 3 – 4 будет

. (13.27)

Отсюда следует

. (13.28)

При обратной пропорциональности , следующей из закона , получим

. (13.29)

Полагая процесс в отводе политропным, будем иметь

. (13.30)

Показатель политропы зависит от условий охлаждения и для обычных конструкций компрессоров близок к n = 1, 5.