Турбокомпресори
Турбокомпресори (компресори динамічної дії) поділяються на два великі класи:
• відцентрові компресори, у яких потік робочої речовини переважно рухається у радіальному напрямі від центру до периферії;
• осьові компресори, в яких потік робочої речовини рухається в осьовому напрямку – паралельному осі обертання.
Динамічний принцип стиснення в турбокомпресорах здійснюється в результаті підведення механічної енергії від двигуна до решітки лопаток, що обертається, і силової взаємодії лопаток з потоком робочої речовини. Сполучена газу кінетична енергія в нерухомих дифузорних елементах проточної частини перетворюється на потенційну, т. е. в енергію тиску.
У парокомпресорних холодильних машинах (теплових насосах) переважно застосовують відцентрові компресори малої та середньої продуктивності. Осьові компресори використовують лише у повітряних холодильних машинах великої продуктивності.
Як усі типи холодильних компресорів, відцентрові компресори передбачають використання будь-якої робочої речовини. Ці компресори бувають сальниковими та безсальниковими. Сальникові компресори наводяться в рух за допомогою електродвигуна або турбіни (повітряної або працюючої на тій же робочій речовині, що компресор - глава 19 і 20).
Відцентровий компресор складається з робочих коліс, що обертаються, насаджених на вал, і нерухомих апаратів. Всі елементи проточної частини компресора є переважно дифузорами. Тому відцентровий компресор можна розглядати як систему послідовно з'єднаних обертових та нерухомих дифузорів. Сукупність одного робочого колеса з розташованими за ним нерухомими апаратами називається щаблем турбокомпресора. Це поняття пов'язанеіз конструктивною схемою компресора. Турбокомпресор може мати кілька щаблів, проте в цілому компресор буде одноступеневим щодо здійснення термодинамічного циклу холодильної машини (тепловий насос). Однак двоступінчастий або триступінчастий холодильний відцентровий компресор (з двома або трьома робочими колесами) може працювати як цикл одноступеневого стиснення, так і цикл багатоступеневого стиснення.
Залежно від конструктивної схеми розрізняють три типи компресорних щаблів: всмоктувальну, проміжну та кінцеву (рис.8.29).
Всмоктуючий ступінь складається з осесиметричного вхідного патрубка або всмоктувальної камери, вхідного регулюючого апарату, робочого колеса, дифузора без лопатки, лопаткового дифузора, радіально-кільцевого повороту, зворотного направляючого апарату.
Проміжний ступінь містить ті ж елементи, що і всмоктуючий, за винятком вхідного регулюючого апарату. Проміжних щаблів може бути кілька. У двоступінчастих компресорах за всмоктуючим ступенем безпосередньо слідує кінцева. Після робочого колеса цього ступеня встановлюють короткий дифузор безлопатковий, спіральну камеру або збірну камеру.
Всі елементи проточної частини ступеня, крім всмоктуючого пристрою, являють собою плоскі або конічні дифузори, тобто канали з площею поперечного перерізу, що збільшується по довжині. У таких каналах відповідно до рівняння суцільності швидкість потоку зменшується від входу каналу до його виходу. При цьому згідно із законом збереження енергії кінетична енергія переходить у
Рис.8.29. Схеми проточної частини всмоктувальної (я), проміжної (6) і кінцевої (в) компресорних ступенів: 1 - камера, що всмоктує; 2 - вхідний регулюючий апарат; 3 - робочеколесо; 4 - безлопатковий дифузор; 5 - лопатковий дифузор; 6 - радіально-кільцевий поворот; 7 - зворотний напрямний апарат; 8 – спіральна камера
Потенційну. Тому навіть у нерухомих елементах щаблі, де відсутнє підведення енергії ззовні, тиск збільшується.
Робочий процес у відцентровому компресорі здійснюється в такий спосіб (рис.8.29). Пари робочої речовини надходять з випарника у вхідний пристрій, призначений для підведення пари до робочого колеса. У цьому елементі реалізується конфузорний перебіг парів внаслідок того, що площа каналу до виходу зменшується. На ділянці Н-0 потік прискорюється, завдяки чому вирівнюється епюра швидкостей на вході в колесо і зменшуються газодинамічні втрати (течія в конфузорному каналі супроводжується меншими втратами енергії, ніж у дифузорному через відсутність відриву прикордонного шару). На цій ділянці ступеня швидкість потоку робочої речовини збільшується, а тиск та ентальпія зменшуються.
У робочому колесі робоча речовина змінює напрямок руху з осьового на радіальний. На ділянці осерадіального повороту між перерізами 0 і 1 площа каналу практично не змінюється, енергія до потоку ззовні не підводиться, тому швидкість і тиск змінюються незначно. У перерізі 1 пари захоплюються лопатками колеса. В результаті стиснення потоку збільшується швидкість пари і, отже, зменшується їх тиск. У колесі до потоку підводиться механічна енергія, що передається лопатками. Внаслідок цього збільшується швидкість пари та тиск.
З робочого колеса пари робочої речовини, що рухаються з великою швидкістю, надходять спочатку в дифузор безлопатковий (перетин 2), а потім в лопатковий дифузор (перетин 3). У дифузорах швидкість парів знижується, тискта ентальпія збільшуються. Після дифузора в радіально-кільцевому повороті між перерізами 4 і 5 потік повертає від периферії до центру і по зворотному напрямному апарату підводиться до робочого колеса другого ступеня. На ділянках 4-5 і 5-6 швидкість та тиск пари практично не змінюються.
В одноступінчастому компресорі та кінцевому ступені багатоступінчастого компресора пари робочої речовини після дифузора надходять у равлик, основне призначення якого полягає в зборі пар після дифузора або безпосередньо після робочого колеса у разі застосування бездифузорного равлика. Тому останнім часом у багатьох конструкціях відцентрових компресорів равлик замінюється збірною камерою з постійною площею поперечного перерізу, яка відіграє роль парового колектора. Після равлика або збірної камери пари робочої речовини через вихідний патрубок прямують до конденсатора.
На всіх ділянках проточної частини перебіг потоку супроводжується незворотними втратами, внаслідок чого ентропія робочої речовини у процесі стиснення безперервно зростає.
Енергетичну ефективність процесів, які у відцентрових компресорах, оцінюють виходячи з аналізу рівнянь енергії та механіки потоку.
Значення основних конструктивних параметрів, коефіцієнтів витрати та напору, ступеня реактивності для різних типів ступенів наведено у табл. 8.1.
З аналізу таблиці 8.1 випливає, що насосний ступінь є маловитратним і низьконапірним, а ступінь авіаційного типу - високовитратним і високонапірним. Однак внаслідок великого ступеня реактивності та деяких інших особливостей насосний ступінь має дещо вищий ККД. Ступінь компресорного типу за своїми характеристиками займає проміжне положення.
Продуктивність відцентрових компресорів зазвичай характеризують об'ємною витратою, віднесеною до умов всмоктування.