Odstředivý kompresor - Centrifugal compressor

Odstředivý kompresor funguje jako oběžné kolo odstředivé čerpadlo

Oběžné kolo odstředivého kompresoru

Tryskový motor výřez zobrazující odstředivý kompresor a další součásti

Odstředivé kompresory, někdy nazývané radiální kompresory, jsou podtřídou dynamické osymetrické absorpce práce turbosoustrojí.^[1]

Dosahují zvýšení tlaku přidáním Kinetická energie /rychlost na nepřetržitý tok tekutina skrz rotor nebo oběžné kolo. Tato kinetická energie se poté převede na zvýšení potenciální energie / statický tlak zpomalením tok přes difuzor. Nárůst tlaku v oběžném kole je ve většině případů téměř stejný jako vzestup v difuzoru.

Teorie provozu

V případě, že tok prochází přímým potrubím pro vstup do odstředivého kompresoru, je tok rovný, rovnoměrný a nemá vířivost, tj. Vířivý pohyb, takže úhel víření α₁ = 0 °, jak je znázorněno. Jak tok prochází odstředivým oběžným kolem, oběžné kolo nutí tok, aby se točil rychleji, jak se dostává dále od osy otáčení. Podle formy Euler rovnice dynamiky tekutin, známá jako rovnice čerpadla a turbíny, vstup energie do kapaliny je úměrný místní rychlosti otáčení toku vynásobené místním oběžným kolem tangenciální rychlost.

V mnoha případech se tok opouštějící odstředivé oběžné kolo pohybuje poblíž rychlost zvuku. Poté protéká stacionárním kompresorem, což způsobí jeho zpomalení. Stacionární kompresor vede potrubí se zvětšující se průtokovou oblastí, kde dochází k transformaci energie. Pokud je nutné pro vstup do další části stroje, např. Jiného oběžného kola nebo spalovací komory, otočit průtok dozadu, lze ztráty průtoku snížit nasměrováním průtoku stacionárními otočnými lopatkami nebo samostatnými otočnými trubkami (trubkové difuzory). Jak je popsáno v Bernoulliho princip Snížení rychlosti způsobí zvýšení tlaku.^[1]

Historické příspěvky, průkopníci

Za posledních 100 let včetně aplikovaných vědců Stodola (1903, 1927–1945),^[2] Pfleiderer (1952),^[3] Hawthorne (1964),^[4] Shepard (1956),^[1] Lakshminarayana (1996),^[5] a Japikse (mnoho textů včetně citací),^[6][7][8][9] vzdělávali mladé inženýry v základech turbomechaniky. Tato porozumění platí pro všechna dynamická, plynulá, osově symetrická čerpadla, ventilátory, dmychadla a kompresory v axiálním, smíšeném a radiálním / odstředivém uspořádání.

Tento vztah je důvodem, proč se pokroky v turbínách a axiálních kompresorech často dostávají do jiných turbínových strojů, včetně odstředivých kompresorů. Obrázky 1.1 a 1.2^[10][11] ilustrují doménu turbosoustrojí štítky s odstředivými kompresory. Zlepšení u odstředivých kompresorů nebylo dosaženo pomocí velkých objevů. Spíše bylo dosaženo zlepšení díky porozumění a aplikaci dílčích znalostí objevených mnoha jednotlivci.

Obrázek 1.1 představuje aero -termo doména turbosoustrojí. Vodorovná osa představuje energetickou rovnici odvozenou z The první zákon termodynamiky.^[1][11] Svislá osa, kterou lze charakterizovat Machovým číslem, představuje rozsah stlačitelnosti kapaliny (nebo pružnosti).^[1][11] Osa Z, kterou lze charakterizovat Reynoldsovo číslo, představuje rozsah viskozit kapaliny (nebo lepivosti).^[1][11] Matematici a fyzici, kteří založili základy této aero-termo domény, zahrnují:^[12][13] Isaac Newton, Daniel Bernoulli, Leonhard Euler, Claude-Louis Navier, George Stokes, Ernst Mach, Nikolay Jegorovič Žukovskij, Martin Kutta, Ludwig Prandtl, Theodore von Kármán, Paul Richard Heinrich Blasius, a Henri Coandă.

Obrázek 1.2 představuje fyzickou nebo mechanickou oblast turbínového stroje. Horizontální osa opět představuje energetickou rovnici s turbínami generujícími energii vlevo a kompresory absorbujícími energii vpravo.^[1][11] Ve fyzické oblasti svislá osa rozlišuje mezi vysokými a nízkými rychlostmi v závislosti na použití turbínového stroje.^[1][11] Osa Z rozlišuje mezi geometrií axiálního toku a geometrií radiálního toku ve fyzické oblasti turbínového stroje.^[1][11] Předpokládá se, že turbosoustrojí se smíšeným tokem leží mezi axiálním a radiálním.^[1][11] Mezi klíčové přispěvatele technických úspěchů, které posunuly praktické použití turbosoustrojí vpřed, patří:^[12][13] Denis Papin,^[14] Kernelien Le Demour, Daniel Gabriel Fahrenheit John Smeaton, Dr. A. C. E. Rateau,^[15] John Barber, Alexander Sablukov, Vážený pane Charles Algernon Parsons, Ægidius Elling, Sanford Alexander Moss, Willis Carrier, Adolf Busemann, Hermann Schlichting, Frank Whittle a Hans von Ohain.

Částečná časová osa

Turbomachinery podobnosti

Odstředivé kompresory jsou v mnoha ohledech podobné jiným turbosoustrojí a jsou porovnávány a porovnávány takto:

Podobnosti s axiálním kompresorem

Výřez zobrazující axi-odstředivou plynovou turbínu kompresoru

Odstředivé kompresory jsou podobné axiální kompresory v tom, že se jedná o rotující kompresory založené na profilu křídla. Oba jsou zobrazeny na sousední fotografii motoru s 5 stupni axiálního kompresoru a jedním stupněm odstředivého kompresoru.^[5][7] První část odstředivého oběžného kola vypadá velmi podobně jako axiální kompresor. Tato první část odstředivého oběžného kola se také nazývá induktor. Odstředivé kompresory se liší od axiálních, protože používají významnou změnu poloměru od vstupu k výstupu z oběžného kola k dosažení mnohem většího zvýšení tlaku v jednom stupni (např.^[16] v Pratt & Whitney Canada PW200 série vrtulníkových motorů) než axiální stupeň. Němec z éry 40. let Heinkel HeS 011 experimentální motor byl první letecký proudový motor, který měl kompresorový stupeň s radiálním tokem, který se otáčel na půli cesty mezi žádným pro axiální a 90 stupňů pro odstředivý. Je známý jako smíšený / diagonální kompresor. V Pratt & Whitney Canada PW600 série malých turbodmychadel.

Odstředivý ventilátor

Nízkorychlostní, nízkotlaký odstředivý kompresor nebo odstředivý ventilátor, s vyzařovacím kuželem používaným k rozptylování rychlosti vzduchu

A ventilátor veverkové klece, bez vypouštěcího difuzoru

Odstředivé kompresory jsou také podobné odstředivé ventilátory stylu zobrazeného na sousedním obrázku, protože oba zvyšují energii toků zvětšujícím se poloměrem.^[1] Na rozdíl od odstředivých ventilátorů pracují kompresory při vyšších rychlostech, aby generovaly větší zvýšení tlaku. V mnoha případech jsou konstrukční metody použité při konstrukci odstředivého ventilátoru stejné jako při konstrukci odstředivého kompresoru, takže mohou vypadat velmi podobně.

Tento vztah je méně pravdivý ve srovnání s veverkový klec na přiloženém obrázku.

Pro účely zobecnění a definice lze říci, že odstředivé kompresory mají často zvýšení hustoty větší než 5 procent. Také často zažívají relativní rychlosti tekutin výše Machovo číslo 0.3^[5][17] když je pracovní kapalinou vzduch nebo dusík. Naproti tomu se u ventilátorů nebo dmychadel často předpokládá zvýšení hustoty o méně než pět procent a maximální relativní rychlosti kapaliny pod 0,3 Mach.

Odstředivé čerpadlo

3D model pevných těles typu odstředivé čerpadlo

Výřez a odstředivé čerpadlo

Odstředivé kompresory jsou také podobné odstředivá čerpadla^[1] stylu zobrazeného na sousedních obrázcích. Klíčovým rozdílem mezi takovými kompresory a čerpadly je, že pracovní kapalinou kompresoru je plyn (stlačitelný) a pracovní kapalina čerpadla je kapalina (nestlačitelná). Opět platí, že technické metody používané k návrhu odstředivého čerpadla jsou stejné jako ty, které se používají k návrhu odstředivého kompresoru. Přesto existuje jeden důležitý rozdíl: potřeba se vypořádat kavitace v čerpadlech.

Radiální turbína

Odstředivé kompresory také vypadají velmi podobně jako jejich protějšek v turbosoustrojích radiální turbína jak je znázorněno na obrázku. Zatímco kompresor přenáší energii do toku, aby zvýšil svůj tlak, turbína pracuje v opačném směru tím, že získává energii z toku, čímž snižuje svůj tlak.^[7] Jinými slovy, výkon se přivádí do kompresorů a výstup z turbín.

Turbomachinery pomocí odstředivých kompresorů

Zde je uveden částečný seznam turbínových strojů, které mohou ve stroji používat jeden nebo více odstředivých kompresorů.

• Pomocná napájecí jednotka
• Odstředivý kompresor
• Plynová turbína
• Rychlonabíječka
• Turboprop
• Turboshaft

Součásti jednoduchého odstředivého kompresoru

Jednoduchý odstředivý kompresor má čtyři komponenty: vstup, oběžné kolo / rotor, difuzor a kolektor.^[1] Obrázek 3.1 ukazuje každou ze složek průtokové cesty, přičemž tok (pracovní plyn) vstupuje do odstředivého oběžného kola axiálně zprava doleva. V důsledku otáčení oběžného kola ve směru hodinových ručiček při pohledu za kompresorem proudí proud skrz spirální výpustný kužel, který se pohybuje od diváka postavy.

Obrázek 3.1 - Pohled v řezu na a rychlonabíječka zobrazující odstředivý kompresor (modrý) na pravém konci rotoru

Vstup

Vstup do odstředivého kompresoru je obvykle jednoduchá trubka. Může zahrnovat funkce, jako je ventil, stacionární lopatky / profily křídel (sloužící k víření toku) a jak tlakové, tak teplotní vybavení. Všechna tato přídavná zařízení mají důležité využití při řízení odstředivého kompresoru.

Odstředivé oběžné kolo

Klíčovou součástí, díky které je kompresor odstředivý, je odstředivé oběžné kolo, obrázek 0.1, které obsahuje rotující sadu lopatek (nebo lopatek), které postupně zvyšují energii pracovního plynu. To je identické s axiálním kompresorem, s tou výjimkou, že plyny mohou dosahovat vyšších rychlostí a úrovní energie prostřednictvím zvětšujícího se poloměru oběžného kola. V mnoha moderních vysoce účinných odstředivých kompresorech se plyn opouštějící oběžné kolo pohybuje rychlostí zvuku.

Oběžná kola jsou navržena v mnoha konfiguracích, včetně „otevřených“ (viditelných lopatek), „krytých nebo zahalených“, „s rozdělovači“ (všechny ostatní induktory odstraněny) a „bez rozdělovačů“ (všechny plné lopatky). Oba obrázky 0.1 a 3.1 ukazují otevřená oběžná kola s rozdělovači. Většina moderních oběžných kol s vysokou účinností používá ve tvaru lopatky „zpětný chod“.^[6][18][19]

Eulerova rovnice čerpadla a turbíny, hraje důležitou roli v porozumění výkonu oběžného kola.

Difuzor

Další klíčovou součástí jednoduchého odstředivého kompresoru je difuzor.^[7][8][19] Za oběžným kolem v dráze toku je odpovědností difuzoru převádět kinetickou energii (vysokou rychlost) plynu na tlak postupným zpomalováním (rozptylováním) rychlosti plynu. Difuzory mohou být vanové, lopatkové nebo střídavé. Vysoce účinné lopatkové difuzory jsou také navrženy pro širokou škálu tuhostí od méně než 1 do 4. Hybridní verze lopatkových difuzorů zahrnují: klínové, kanálové a trubkové difuzory. Některá turbodmychadla nemají difuzor.

Bernoulliho fluidní dynamický princip hraje důležitou roli v porozumění výkonu difuzoru.

Kolektor

Sběrač odstředivého kompresoru může mít mnoho tvarů a podob.^[7][19] Když se difuzor vypouští do velké prázdné komory, lze kolektor nazvat a Plénum. Když se difuzor vypustí do zařízení, které vypadá poněkud jako šnečí ulita, býčí roh nebo lesní roh, sběratel bude pravděpodobně nazýván závitnice nebo svitek. Jak název napovídá, účelem kolektoru je shromáždit tok z výtlačného prstence difuzoru a dodávat tento tok do potrubí po proudu. Kolektor nebo potrubí mohou také obsahovat ventily a vybavení pro ovládání kompresoru.

Aplikace

Níže je uveden částečný seznam aplikací odstředivých kompresorů, každý se stručným popisem některých obecných charakteristik těchto kompresorů. Na začátku tohoto seznamu jsou uvedeny dvě nejznámější aplikace odstředivých kompresorů; plynové turbíny a turbodmychadla.^[5]

Obrázek 4.1 - Tryskový motor výřez zobrazující odstředivý kompresor a další součásti.

Obrázek 4.2 - Tryskový motor průřez zobrazující odstředivý kompresor a další části.

• v plynové turbíny a pomocné energetické jednotky.^[20] Čj. Obrázky 4.1–4.2
  Ve své jednoduché formě pracují moderní plynové turbíny na Braytonově cyklu. (viz obrázek 5.1) K zajištění komprese se používají buď axiální, nebo odstředivé kompresory. Mezi typy plynových turbín, které nejčastěji zahrnují odstředivé kompresory, patří malé letecké motory (tj. Turboshafts, turboprops a turbofans), pomocné energetické jednotky a mikro-turbíny. Průmyslové standardy aplikované na všechny odstředivé kompresory používané v leteckých aplikacích jsou stanoveny FAA a armádou, aby se maximalizovala jak bezpečnost, tak životnost za náročných podmínek. Odstředivá oběžná kola používaná v plynových turbínách se obvykle vyrábějí z výkovků ze slitiny titanu. Jejich lopatky s průtokovou cestou jsou běžně frézovány po stranách nebo bodově na 5osých frézkách. Když jsou tolerance a vůle nejpřísnější, jsou tyto návrhy dokončeny jako horká provozní geometrie a odkloněny zpět do studené geometrie, jak je požadováno pro výrobu. Tato potřeba vyplývá z výchylek oběžného kola od startu do plné rychlosti / plné teploty, které mohou být stokrát větší než očekávaná vůle oběžného kola za tepla.

• V automobilovém motoru a dieselový motor turbodmychadla a kompresory.^[21] Čj. Obrázek 1.1
  Odstředivé kompresory používané ve spojení s pístovými spalovacími motory jsou známé jako turbodmychadla, jsou-li poháněna výfukovými plyny motoru, a turbodmychadla, pokud jsou poháněna motorem. Normy stanovené průmyslovým odvětvím pro turbodmychadla mohly být stanoveny společností SAE.^[22] Vlastnosti ideálního plynu často dobře fungují při návrhu, zkoušení a analýze výkonu odstředivého kompresoru turbodmychadla.

• v potrubní kompresory z zemní plyn přesunout plyn z místa výroby ke spotřebiteli.^[23]
  Odstředivé kompresory pro takové použití mohou být jednostupňové nebo vícestupňové a poháněné velkými plynovými turbínami. Standardy stanovené průmyslovým odvětvím (ANSI / API, ASME) vedou k velkým tlustým krytům pro maximalizaci bezpečnosti. Oběžná kola jsou často, ne-li vždy, krytého stylu, díky čemuž vypadají podobně jako oběžná kola čerpadel. Tento typ kompresoru se také často označuje jako Styl API. Síla potřebná k pohonu těchto kompresorů se nejčastěji pohybuje v řádu tisíců koní (HP). K správnému návrhu, testování a analýze výkonu odstředivých kompresorů v potrubí na zemní plyn je zapotřebí použití vlastností skutečného plynu.

• v ropné rafinerie, zpracování zemního plynu, petrochemický a chemické závody.^[23]
  Odstředivé kompresory pro tato použití jsou často jednostupňové vícestupňové a poháněné velkými parními nebo plynovými turbínami. Jejich pláště se často nazývají vodorovně rozdělené nebo hlaveň. Normy stanovené průmyslovým odvětvím (ANSI / API, ASME) pro tyto kompresory vedou k velkým tlustým krytům pro maximalizaci bezpečnosti. Oběžná kola jsou často, ne-li vždy, krytého stylu, díky čemuž vypadají podobně jako oběžná kola čerpadel. Tento typ kompresoru se také často nazývá Styl API. Energie potřebná k pohonu těchto kompresorů je nejčastěji v tisících HP. K správnému návrhu, testování a analýze jejich výkonu je nutné použít vlastnosti skutečných plynů.

• Klimatizace a chlazení a HVAC: Odstředivé kompresory často dodávají kompresi dovnitř vodní chladiče cykly.^[24]
  Vzhledem k široké škále cyklů komprese par (termodynamický cyklus, termodynamika ) a široká škála pracovních plynů (chladiva ), odstředivé kompresory se používají v široké škále velikostí a konfigurací. Ke správnému návrhu, testování a analýze výkonu těchto strojů je zapotřebí použití vlastností skutečného plynu. Standardy stanovené průmyslovým odvětvím pro tyto kompresory zahrnují ASHRAE, ASME a API.

• V průmyslu a výrobě dodávat stlačený vzduch pro všechny typy pneumatické nářadí.^[25]
  Odstředivé kompresory pro tato použití jsou často vícestupňové a poháněné elektromotory. K řízení teploty vzduchu je mezi fázemi často nutné chlazení. Pamatujte, že posádka pro opravu silnic a místní opravna automobilů našly šroubové kompresory, které se lépe přizpůsobují jejich potřebám. Standardy stanovené průmyslem pro tyto kompresory zahrnují ASME a vládní předpisy, které zdůrazňují bezpečnost. Ke správnému návrhu, testování a analýze výkonu těchto strojů se často používají vztahy ideálního plynu. K řešení vlhkosti se často používá Carrierova rovnice.

• V zařízeních na separaci vzduchu k výrobě čištěných plynů konečného produktu.^[25]
  Odstředivé kompresory pro tato použití jsou často vícestupňové, které k řízení teploty vzduchu používají mezichlazení. Standardy stanovené průmyslem pro tyto kompresory zahrnují ASME a vládní předpisy, které zdůrazňují bezpečnost. Vztahy ideálních plynů se často používají ke správnému návrhu, testování a analýze výkonu těchto strojů, když je pracovním plynem vzduch nebo dusík. Jiné plyny vyžadují vlastnosti skutečných plynů.

• v ropné pole opětovné vstřikování vysokotlakého zemního plynu pro zlepšení těžby ropy.^[23]
  Odstředivé kompresory pro tato použití jsou často jednostupňové vícestupňové a poháněné plynovými turbínami. S výtlačnými tlaky blížícími se 700 barům jsou pouzdra sudového typu. Normy stanovené průmyslovým odvětvím (API, ASME) pro tyto kompresory vedou k velkým silným krytům pro maximalizaci bezpečnosti. Oběžná kola jsou často, ne-li vždy, krytého stylu, díky čemuž vypadají podobně jako oběžná kola čerpadel. Tento typ kompresoru se také často nazývá Styl API. K správnému návrhu, testování a analýze jejich výkonu je nutné použít vlastnosti skutečných plynů.

Výkon

Obrázek 5.1 - Braytonův cyklus. Ilustrace Braytonova cyklu aplikovaného na plynovou turbínu.

Obrázek 5.2 - Příklad výkonové mapy odstředivého kompresoru.

Zatímco ilustrujeme Braytonův cyklus plynové turbíny,^[12] Obrázek 5.1 obsahuje ukázkové grafy tlakově specifického objemu a teplotní entropie. Tyto typy grafů jsou zásadní pro pochopení výkonu odstředivého kompresoru v jednom provozním bodě. Při dalším studiu těchto dvou grafů vidíme, že tlak stoupá mezi vstupem kompresoru (stanice 1) a výstupem z kompresoru (stanice 2). Zároveň je snadné vidět, že specifický objem klesá nebo podobně roste hustota. Při studiu grafu teplotní entropie vidíme nárůst teploty s rostoucí entropií (ztrátou). Pokud předpokládáme suchý vzduch a stavovou rovnici ideálního plynu a isentropický proces, máme dostatek informací k definování tlakového poměru a účinnosti pro tento jeden bod. Bohužel nám chybí několik dalších klíčových informací, pokud chceme použít odstředivý kompresor na jinou aplikaci.

Obrázek 5.2, mapa výkonu odstředivého kompresoru (testovaná nebo odhadovaná), ukazuje průtok, tlakový poměr pro každou ze 4 rychlostních linek (celkem 23 datových bodů). Zahrnuty jsou také kontury konstantní účinnosti. Výkon odstředivého kompresoru prezentovaný v této formě poskytuje dostatek informací, aby odpovídal hardwaru představovanému mapou k jednoduché sadě požadavků koncového uživatele.

Ve srovnání s odhadem výkonu, který je velmi nákladově efektivní (tedy užitečný při návrhu), je testování, i když nákladné, stále nejpřesnější metodou.^[9] Dále je testování výkonu odstředivého kompresoru velmi složité. Profesní společnosti jako JAKO JÁ (tj. PTC – 10, Příručka měřidel kapalin, PTC-19.x),^[26] ASHRAE (Příručka ASHRAE ) a API (ANSI / API 617-2002, 672-2007)^[23][25] zavedly standardy pro podrobné experimentální metody a analýzu výsledků zkoušek. Navzdory této složitosti lze několik základních konceptů výkonu představit zkoumáním příkladu mapy výkonu testu.

Výkonnostní mapy

Hlavními parametry jsou tlakový poměr a průtok^{[12][23][25][26]} potřebné k přizpůsobení mapy výkonu na obrázku 5.2 jednoduché kompresorové aplikaci. V tomto případě lze předpokládat, že vstupní teplota je standardem hladiny moře. Vytvoření tohoto předpokladu ve skutečném případě by bylo významnou chybou. Podrobná kontrola na obrázku 5.2 ukazuje:

• Upravený hmotnostní tok: 0,04 - 0,34 kg / s
• Celkový tlak poměr, vstup a výstup (PR_t-t = P_{t, výboj}/ Str_{t, vstup}): 1.0 – 2.6

Jak je běžnou praxí, má obrázek 5.2 vodorovnou osu označenou parametrem toku. Zatímco měření průtoku používají širokou škálu specifikací jednotek, všechny vyhovují jedné ze 2 kategorií:

Hmotnostní tok za jednotku času

V praxi se nejsnadněji používají hromadné toky, například kg / s, protože je zde malý prostor pro záměnu. Zbývající otázky by se týkaly vstupu nebo výstupu (což by mohlo zahrnovat únik z kompresoru nebo kondenzaci vlhkosti). U atmosférického vzduchu může být hmotnostní tok mokrý nebo suchý (včetně nebo bez vlhkosti). Specifikace hmotnostního toku bude často uvedena na ekvivalentním základě Machova čísla. V těchto případech je standardní, že ekvivalentní teplota, ekvivalentní tlak a plyn jsou specifikovány výslovně nebo implicitně za standardních podmínek.

Objemový průtok za jednotku času

Naproti tomu všechny specifikace objemového toku vyžadují další specifikaci hustoty. Bernoulliho fluidní dynamický princip má pro pochopení tohoto problému velkou hodnotu. Zmatek vzniká buď nepřesnostmi, nebo zneužitím tlakových, teplotních a plynových konstant.

Standardně je na obrázku 5.2 také vertikální osa označená parametrem tlaku. Rozmanitost jednotek měření tlaku je také obrovská. V tomto případě se všechny hodí do jedné ze tří kategorií:

• Delta se zvyšuje nebo zvyšuje od vstupu k výstupu (Styl manometru)
• Měřený výstupní tlak (platnost)
• Poměr síly (poměr, výstup / vstup)

Další funkce společné pro výkonnostní mapy jsou:

Trasy s konstantní rychlostí

Dvě nejběžnější metody používané pro testování odstředivých kompresorů jsou zkoušky podél linií konstantní rychlosti hřídele nebo podél linií konstantního plynu. Pokud se otáčky hřídele udržují konstantní, měří se polohy škrticí klapky podél linie konstantní rychlosti. Naproti tomu, pokud je škrticí ventil udržován na konstantní hodnotě, jsou zkušební body stanoveny změnou rychlosti (běžná praxe s plynovou turbínou). Mapa znázorněná na obrázku 5.2 ilustruje nejběžnější metodu; linky konstantní rychlosti. V tomto případě vidíme datové body spojené přímkami při rychlostech 50%, 71%, 87% a 100% RPM. První tři rychlostní linky mají po 6 bodech, zatímco nejvyšší rychlostní linie má pět.

Ostrovy s konstantní účinností

Dalším rysem, o kterém se bude diskutovat, jsou oválné křivky představující ostrovy s konstantní účinností. Na tomto obrázku vidíme 11 obrysů v rozmezí od 56% účinnosti (desítkově 0,56) do 76% účinnosti (desetinně 0,76). Obecnou standardní praxí je interpretovat tyto účinnosti jako izentropické spíše než polytropické. Zahrnutí ostrovů efektivity efektivně generuje trojrozměrnou topologii této 2-dimenzionální mapy. Se specifikovanou vstupní hustotou poskytuje další schopnost vypočítat aerodynamický výkon. Řádky konstantního výkonu lze stejně snadno nahradit.

Konstrukce nebo záruční místa

Pokud jde o provoz a výkon plynové turbíny, může existovat řada zaručených bodů pro odstředivý kompresor plynové turbíny. Tyto požadavky mají druhotný význam pro celkový výkon plynové turbíny jako celku. Z tohoto důvodu je nutné pouze shrnout, že v ideálním případě by k nejnižší měrné spotřebě paliva došlo, když by se křivka účinnosti odstředivých kompresorů shodovala s požadovaným provozním vedením plynové turbíny.

Na rozdíl od plynových turbín musí většina ostatních aplikací (včetně průmyslových) splňovat méně přísné požadavky na výkon. Historicky byly k dosažení výkonu při konkrétním průtoku a tlaku potřebné odstředivé kompresory používané v průmyslových aplikacích. Moderní průmyslové kompresory jsou často potřebné k dosažení konkrétních výkonnostních cílů v celé řadě průtoků a tlaků; čímž učinil významný krok směrem ke sofistikovanosti, která je vidět v aplikacích s plynovými turbínami.

Pokud se kompresor znázorněný na obrázku 5.2 používá v jednoduché aplikaci, jakýkoli bod (tlak a průtok) v rámci 76% účinnosti by poskytl velmi přijatelný výkon. „Koncový uživatel“ by byl velmi spokojen s požadavky na výkon 2,0 tlakového poměru při 0,21 kg / s.

Přepětí

Přepětí - je jev proudění při provozu s nízkým průtokem, pro který oběžné kolo nemůže přidat dostatek energie k překonání odporu nebo protitlaku systému.^[27] Při provozu s nízkým hmotnostním průtokem je tlakový poměr na oběžném kole vysoký. Vysoký zpětný tlak za oběžným kolem tlačí zpět tok přes špičky listů rotoru směrem k oku oběžného kola (vstupu).^[28] Toto rychlé obrácení proudění (tj. Ráz) vykazuje silnou rotační složku, která ovlivňuje úhly proudění na náběžné hraně lopatek. Zhoršení úhlů proudění způsobí, že oběžné kolo bude neúčinné a za ním bude přiváděn menší průtok. (Proto se přepětí někdy označuje jako axi-symetrické zablokování.) Tím se vyprázdní přetlakové potrubí za oběžným kolem a (zpětný) tlak poklesne. Výsledkem je, že na špičkách rotoru se obrací méně toku a zisky oběžného kola jsou opět účinné. Tyto cyklické události způsobují velké vibrace, zvyšují teplotu a rychle mění axiální tah. Tyto události mohou poškodit těsnění rotoru, ložiska rotoru, pohon kompresoru a činnost cyklu. Většina turbínových strojů je navržena tak, aby snadno vydržela občasné nárazy. Pokud je však stroj nucen po dlouhou dobu opakovaně přepětí nebo pokud je špatně navržen, opakované přepětí může mít za následek katastrofickou poruchu. Obzvláště zajímavé je, že zatímco turbínové stroje mohou být velmi trvanlivé, cykly / procesy, ve kterých se používají, mohou být mnohem méně robustní.

Přepěťová čára

Rázová linie zobrazená na obrázku 5.2 je křivka, která prochází nejnižším bodem průtoku každé ze čtyř rychlostních linek. Jako testovací mapa by tyto body byly nejnižšími možnými body průtoku pro zaznamenání stabilního odečtu v testovacím zařízení / soupravě. V mnoha průmyslových aplikacích může být nutné zvýšit blokování kvůli protitlaku systému. Například při 100% otáčkách za minutu se může zastavovací tok zvýšit z přibližně 0,170 kg / s na 0,215 kg / s kvůli pozitivnímu sklonu křivky tlakového poměru.

Jak již bylo uvedeno výše, důvodem je to, že vysokorychlostní trať na obrázku 5.2 vykazuje v tomto rozsahu toků zatěžovací charakteristiku nebo kladný sklon. Při umístění do jiného systému nemusí být tyto nižší toky dosažitelné kvůli interakci s tímto systémem. Je prokázáno, že odpor systému nebo nepříznivý tlak je matematicky klíčovým přispěvatelem k rázu kompresoru.

Maximální průtokové vedení versus tlumivka

Sytič se vyskytuje za jedné ze 2 podmínek. Typicky pro vysokorychlostní zařízení, protože průtok zvyšuje rychlost proudění, se může přiblížit zvukové rychlosti někde uvnitř stupně kompresoru. Toto umístění může nastat na vstupu „hrdla“ oběžného kola nebo na vstupu „hrdla“ lopatkového difuzoru. Naproti tomu u zařízení s nižší rychlostí se zvyšující se průtoky zvyšují ztráty tak, že tlakový poměr nakonec poklesne na 1: 1. V tomto případě je výskyt sytiče nepravděpodobný.

Rychlostní linky odstředivých kompresorů s plynovou turbínou obvykle vykazují sytič. Jedná se o situaci, kdy tlakový poměr rychlostního potrubí rychle (svisle) klesá s malou nebo žádnou změnou průtoku. Ve většině případů je to proto, že někde uvnitř oběžného kola a / nebo difuzoru bylo dosaženo téměř rychlostí Mach 1, což vede k rychlému nárůstu ztrát. Stejný jev vykazují i ​​odstředivé kompresory turbodmychadla s vyšším tlakem. Skutečné jevy tlumivky jsou funkcí stlačitelnosti měřené místním Machovým číslem v rámci omezení oblasti v odstředivém tlakovém stupni.

Linka maximálního průtoku, znázorněná na obrázku 5.2, je křivka, která prochází nejvyššími body průtoku každé rychlostní linky. Při inspekci je možné si všimnout, že každý z těchto bodů dosáhl téměř 56% účinnosti. Výběr nízké účinnosti (<60%) je nejběžnějším postupem používaným k ukončení výkonnostních map kompresoru při vysokých průtokech. Dalším faktorem, který se používá ke stanovení potrubí s maximálním průtokem, je tlakový poměr blízký nebo rovný 1. Jako příklad lze použít 50% rychlostní potrubí.

Tvar rychlostních čar na obrázku 5.2 je dobrým příkladem toho, proč je nevhodné používat výraz sytič ve spojení s maximálním průtokem všech rychlostních vedení odstředivého kompresoru. Celkem; většina průmyslových a komerčních odstředivých kompresorů je vybrána nebo navržena tak, aby pracovaly na nebo blízko své nejvyšší účinnosti a aby se vyhnuly provozu při nízké účinnosti. Z tohoto důvodu je málokdy důvod ilustrovat výkon odstředivého kompresoru pod 60% účinností.

Mnoho průmyslových a komerčních vícestupňových výkonnostních map kompresorů vykazuje stejnou vertikální charakteristiku z jiného důvodu souvisejícího s tzv. Fázovým stohováním.

Další provozní limity

Minimální provozní rychlost

Minimální rychlost pro přijatelný provoz, pod touto hodnotou může být kompresor ovládán tak, aby se zastavil nebo přešel do stavu „nečinnosti“.

Maximální povolená rychlost

Maximální provozní rychlost kompresoru. Za touto hodnotou mohou napětí stoupat nad předepsané limity a vibrace rotoru se mohou rychle zvyšovat. Při rychlostech nad touto úrovní bude zařízení pravděpodobně velmi nebezpečné a bude regulováno na nižší rychlosti.

• 

  Trojúhelníky vstupní rychlosti pro oběžné kolo odstředivého kompresoru

• 

  Ukončete trojúhelníky rychlosti pro oběžné kolo odstředivého kompresoru

• 

  Obrázek 1.1 - Aero-termooblast turbomachinery

• 

  Obrázek 1.2 - Fyzická doména turbínového stroje

Dimenzionální analýza

Pro zvážení výhod mezi odstředivými kompresory je důležité porovnat 8 parametrů klasického s turbomachinářstvím. Konkrétně vzestup tlaku (p), průtok (Q), úhlová rychlost (N), výkon (P), hustota (ρ), průměr (D), viskozita (μ) a pružnost (e). To vytváří praktický problém, když se pokoušíte experimentálně určit účinek kteréhokoli parametru. Je to proto, že je téměř nemožné nezávisle změnit jeden z těchto parametrů.

Metoda postupu známá jako Buckinghamova věta π může pomoci vyřešit tento problém generováním 5 bezrozměrných forem těchto parametrů.^[1][7][13] Tyto parametry Pi poskytují základ pro „podobnost“ a „zákony spřažení“ v turbomachulátoru. Poskytují vytvoření dalších vztahů (jsou bezrozměrné), které jsou cenné při charakterizaci výkonu.

V níže uvedeném příkladu bude hlava nahrazena tlakem a zvuková rychlost bude nahrazena pružností.

Buckinghamova věta

Tři nezávislé dimenze použité v tomto postupu pro turbínové stroje jsou:

• ${ displaystyle M}$ hmotnost (alternativou je síla)
• ${ displaystyle L}$ délka
• ${ displaystyle T}$ čas

Podle věty je každý z osmi hlavních parametrů přirovnán k jeho nezávislým rozměrům následovně:

Tok	${ displaystyle Q =}$	${ displaystyle { frac {L ^ {3}} {T}}}$	např. = m3/ s
Hlava	${ displaystyle H =}$	${ displaystyle { frac {ML} {T ^ {2}}}}$	např. = kg · m / s2
Rychlost	${ displaystyle U =}$	${ displaystyle { frac {L} {T}}}$	např. = m / s
Napájení	${ displaystyle P =}$	${ displaystyle { frac {ML ^ {2}} {T ^ {3}}}}$	např. = kg · m2/ s3
Hustota	${ displaystyle rho =}$	${ displaystyle { frac {M} {L ^ {3}}}}$	např. = kg / m3
Viskozita	${ displaystyle mu =}$	${ displaystyle { frac {M} {LT}}}$	např. = kg / m · s
Průměr	${ displaystyle D =}$	${ displaystyle L}$	např. = m
Rychlost zvuku	${ displaystyle a =}$	${ displaystyle { frac {L} {T}}}$	např. = m / s

Klasická podoba turbínového stroje

Dokončení úkolu následovat formální postup má za následek generování této klasické sady pěti bezrozměrných parametrů pro turbínové stroje. Plné podobnosti je dosaženo, když je každý z 5 parametrů Pi ekvivalentní. To by samozřejmě znamenalo, že dva srovnávané turbomaty jsou geometricky podobné a běží ve stejném provozním bodě.

Součinitel průtoku	${ displaystyle Pi _ {1} =}$	${ displaystyle { frac {Q} {ND ^ {3}}}}$
Koeficient hlavy	${ displaystyle Pi _ {2} =}$	${ displaystyle { frac {gH} {N ^ {2} D ^ {2}}}}$
Koeficient rychlosti	${ displaystyle Pi _ {4} =}$	${ displaystyle { frac {ND} {a}}}$
Výkonový koeficient	${ displaystyle Pi _ {3} =}$	${ displaystyle { frac {P} { rho N ^ {3} D ^ {5}}}}$
Reynoldsův koeficient	${ displaystyle Pi _ {5} =}$	${ displaystyle { frac { rho ND ^ {2}} { mu}}}$

Analytici turbosoustrojí získají ohromný vhled do výkonu srovnáním těchto 5 parametrů s účinností a ztrátovými koeficienty, které jsou také bezrozměrné. In general application, the flow coefficient and head coefficient are considered of primary importance. Generally, for centrifugal compressors, the velocity coefficient is of secondary importance while the Reynolds coefficient is of tertiary importance. In contrast, as expected for pumps, the Reynolds number becomes of secondary importance and the velocity coefficient almost irrelevant. It may be found interesting that the speed coefficient may be chosen to define the y-axis of Figure 1.1, while at the same time the Reynolds coefficient may be chosen to define the z-axis.

Other dimensionless combinations

Demonstrated in the table below is another value of dimensional analysis. Any number of new dimensionless parameters can be calculated through exponents and multiplication. For example, a variation of the first parameter shown below is popularly used in aircraft engine system analysis. The third parameter is a simplified dimensional variation of the first and second. This third definition is applicable with strict limitations. The fourth parameter, specific speed, is very well known and useful in that it removes diameter. The fifth parameter, specific diameter, is a less often discussed dimensionless parameter found useful by Balje.^[29]

1	Corrected mass flow coefficient	${displaystyle Pi _{1}Pi _{4}=}$	${displaystyle {frac {m}{pD^{2}}}left({frac {Rt}{k}} ight)^{0.5}}$
2	Alternate#1 equivalent Mach form	${displaystyle {frac {m_{1}}{ ho _{1}a_{1}{D_{1}}^{2}cos(alpha _{1})}}=}$	${displaystyle {frac {m_{2}}{ ho _{2}a_{2}{D_{2}}^{2}cos(alpha _{2})}}}$
3	Alternate#2 simplified dimensional form	${displaystyle {frac {m_{1}{t_{1}}^{0.5}}{p_{1}}}=}$	${displaystyle {frac {m_{2}{t_{2}}^{0.5}}{p_{2}}}}$
4	Specific speed coefficient	${displaystyle {frac {{Pi _{1}}^{0.5}}{{Pi _{2}}^{0.75}}}=}$	${displaystyle {frac {NQ^{0.5}}{(gH)^{0.75}}}}$
5	Specific diameter coefficient	${displaystyle {frac {{Pi _{2}}^{0.25}}{{Pi _{1}}^{0.5}}}=}$	${displaystyle {frac {D(gH)^{0.25}}{Q^{0.5}}}}$

It may be found interesting that the specific speed coefficient may be used in place of speed to define the y-axis of Figure 1.2, while at the same time, the specific diameter coefficient may be in place of diameter to define the z-axis.

Affinity laws

Následující affinity laws are derived from the five Π-parameters shown above. They provide a simple basis for scaling turbomachinery from one application to the next.

From flow coefficient	${displaystyle {frac {Q_{1}}{Q_{2}}}=}$	${displaystyle {frac {N_{1}}{N_{2}}}=}$	${displaystyle left({frac {D_{1}}{D_{2}}} ight)^{3}}$
From head coefficient	${displaystyle {frac {H_{1}}{H_{2}}}=}$	${displaystyle left({frac {N_{1}}{N_{2}}} ight)^{2}=}$	${displaystyle left({frac {D_{1}}{D_{2}}} ight)^{2}}$
From power coefficient	${displaystyle {frac {P_{1}}{P_{2}}}=}$	${displaystyle left({frac {N_{1}}{N_{2}}} ight)^{3}=}$	${displaystyle left({frac {D_{1}}{D_{2}}} ight)^{5}}$

Aero-thermodynamic fundamentals

The following equations outline a fully three-dimensional mathematical problem that is very difficult to solve even with simplifying assumptions.^[5][30] Until recently, limitations in computational power, forced these equations to be simplified to an Inviscid two-dimensional problem with pseudo losses. Before the advent of computers, these equations were almost always simplified to a one-dimensional problem.

Solving this one-dimensional problem is still valuable today and is often termed mean-line analysis. Even with all of this simplification it still requires large textbooks to outline and large computer programs to solve practically.

Zachování hmoty

Také nazývané kontinuita, this fundamental equation written in general form is as follows:

${displaystyle {frac {partial ho }{partial t}}+ abla cdot ( ho mathbf {v} )=0}$

Zachování hybnosti

Also termed the Navier-Stokesovy rovnice, this fundamental is derivable from Newtonův druhý zákon při aplikaci na fluid motion. Written in compressible form for a Newtonian fluid, this equation may be written as follows:

${displaystyle ho left({frac {partial mathbf {v} }{partial t}}+mathbf {v} cdot abla mathbf {v} ight)=- abla p+mu abla ^{2}mathbf {v} +left({frac {1}{3}}mu +mu ^{v} ight) abla left( abla cdot mathbf {v} ight)+mathbf {f} }$

Uchování energie

The první zákon termodynamiky is the statement of the conservation of energy. Under specific conditions, the operation of a Centrifugal compressor is considered a reversible process. For a reversible process, the total amount of heat added to a system can be expressed as ${displaystyle delta Q=TdS}$ kde ${ displaystyle T}$ je teplota a ${ displaystyle S}$ je entropie. Therefore, for a reversible process:

${displaystyle dU=TdS-pdV.,}$

Since U, S and V are thermodynamic functions of state, the above relation holds also for non-reversible changes. The above equation is known as the základní termodynamický vztah.

Stavová rovnice

The classical zákon o ideálním plynu may be written:

${displaystyle { pV=nRT}.}$

The ideal gas law may also be expressed as follows

${displaystyle { p= ho (gamma -1)U}}$

kde ${ displaystyle rho}$ je hustota, ${displaystyle gamma =C_{p}/C_{v}}$ is the adiabatic index (ratio of specific heats ), ${displaystyle U=C_{v}T}$ is the internal energy per unit mass (the "specific internal energy"), ${ displaystyle C_ {v}}$ is the specific heat at constant volume, and ${ displaystyle C_ {p}}$ is the specific heat at constant pressure.

With regard to the equation of state, it is important to remember that while air and nitrogen properties (near standard atmospheric conditions) are easily and accurately estimated by this simple relationship, there are many centrifugal compressor applications where the ideal relationship is inadequate. For example, centrifugal compressors used for large air conditioning systems (water chillers) use a refrigerant as a working gas that cannot be modeled as an ideal gas. Another example are centrifugal compressors design and built for the petroleum industry. Most of the hydrocarbon gases such as methane and ethylene are best modeled as a skutečný plyn stavová rovnice rather than ideal gases. The Wikipedia entry for equations of state is very thorough.

Výhody a nevýhody

Profesionálové

• Centrifugal compressors offer the advantages of simplicity of manufacturing and relatively low cost. This is due to requiring fewer stages to achieve the same pressure rise.

• Centrifugal compressors are used throughout industry because they have fewer rubbing parts, are relatively energy efficient, and give higher and non-oscilační konstantní proud vzduchu than a similarly sized reciprocating compressor nebo jakýkoli jiný positive displacement pump.

• Centrifugal compressors are mostly used as turbochargers and in small plynová turbína engines like in an APU (pomocná napájecí jednotka ) and as main engine for smaller aircraft like vrtulníky. A significant reason for this is that with current technology, the equivalent airflow axial compressor will be less efficient due primarily to a combination of rotor and variable stator tip-clearance losses.

Nevýhody

• Their main drawback is that they cannot achieve the high kompresní poměr of reciprocating compressors without multiple stages. There are few one-stage centrifugal compressors capable of pressure ratios over 10:1, due to stress considerations which severely limit the compressor's safety, durability and life expectancy.

• Centrifugal compressors are impractical, compared to axial compressors, for use in large plynové turbíny a proudový engines propelling large aircraft, due to the resulting weight and stress, and to the frontal area presented by the large diameter of the radial diffuser.

Structural mechanics, manufacture and design compromise

Ideally, centrifugal compressor impellers have thin air-foil blades that are strong, each mounted on a light rotor. This material would be easy to machine or cast and inexpensive. Additionally, it would generate no operating noise, and have a long life while operating in any environment.^{[je zapotřebí objasnění ]}

From the very start of the aero-thermodynamic design process, the aerodynamic considerations and optimizations [29,30] are critical to have a successful design. during the design, the centrifugal impeller's material and manufacturing method must be accounted for within the design, whether it be plastic for a vacuum cleaner blower, aluminum alloy for a turbocharger, steel alloy for an air compressor or titanium alloy for a gas turbine. It is a combination of the centrifugal compressor impeller shape, its operating environment, its material and its manufacturing method that determines the impeller's structural integrity.

Viz také

• Axiální kompresor
• Moment hybnosti
• Odstředivá síla
• Dostředivá síla
• Coandův efekt
• Výpočetní dynamika tekutin
• Stlačitelnost
• Coriolisova síla
• Corrected speed
• Darcy – Weisbachova rovnice
• Gustaf de Laval
• Entalpie
• Entropie
• Eulerovy rovnice (dynamika tekutin)
• Metoda konečných prvků
• Dynamika tekutin
• Zákony o plynu
• Zákon o ideálním plynu
• Kinematika
• Skutečný plyn
• Rossbyho číslo
• Machovo číslo
• Vícefázový tok
• Navier-Stokesovy rovnice
• Reynoldsovy průměrované Navier-Stokesovy rovnice
• Reynoldsova věta o transportu
• Reynoldsovo číslo
• Danfoss Turbocor
• Turbulence
• Viskozita
• von Karman Institute for Fluid Dynamics
• Trojrozměrné ztráty a korelace v turbínových strojích

^[31][32]

Reference

externí odkazy

• MIT Gas Turbine Laboratory
• (1948), First Marine Gas Turbine in Service. Journal of the American Society for Naval Engineers, 60: 66–86. doi:10.1111/j.1559-3584.1948.tb02754.x
• A history of Chrysler turbine cars
• To find API codes, standards & publications [Nefunkční odkaz]
• To find ASME codes, standards & publications
• To find ASHRAE codes, standards & publications
• Glenn Research Center at NASA
• Pontyak Resource Centre
• Hydrodynamics of Pumps, by Christopher Earls Brennen
• Danfoss Turbocor