Ассовый расход должен быть одинаковым во всех контрольных сечениях (условие неразрывности потока).

Следовательно, в сечении 1 возникает движение в направлении оси z со скоростью . У рабочих колес осевых компрессоров произведение rf в сечениях перед, и за лопатками примерно одинаково и для простоты анализа общепринято считать с_z1 = с_z2 = с_z.

В сечении 1 движение газа возникает под действием разрежения, создаваемого лопатками колеса, отбрасывающими газ в направлении z и u. Давление р₁ становится меньше давления перед компрессором, в данном случае меньше атмосферного давления р_а. Под действием разности давлений р_а-р₁ осуществляется процесс непрерывного подвода газа к рабочему колесу через входной патрубок.

В компрессоре, показанном на рис.9, разность давлений заставляет газ двигаться в осевом направлении, т.е. с₁ = с_z1 = с_z и перед рабочим колесом газ закрутки не имеет. Очевидно, что скорость газа при прохождении через рабочее колесо увеличивается, т.е. с₂>с₁ и при с₁ = с_z разность кинетических энергий единицы массы газа после и перед колесом равна 0,5 (с₂²-с₁²) = 0,5 с_u2². На ускорение потока в колесе тратится часть мощности двигателя N_Т, в данном случае весьма значительная. Другая часть идет на повышение давления и преодоление сопротивления движению газа в колесе.

Отметим, что повышение давления в компрессоре может происходить только тогда, когда в конечном сечении К сопротивление сети создает некоторое противодавление Dр = р_к - р_а. Если бы выходной патрубок не был соединен с сетью, а связывал проточную часть с атмосферой, то при Dр = 0 вся мощность двигателя затрачивалась бы на разгон газа и преодоление сопротивления движению газа в проточной части. Но при обычном р_к > p_a за рабочим колесом устанавливается некоторое давление р₂ > р_а > р₁. Перемещение газа из области меньшего давления р₁ в область большего р₂ с одновременным его сжатием осуществляется в результате действия силы P_а' на газ со стороны лопаток.

Таким образом, рабочее колесо является основным, обязательным элементом компрессора. Оно передает газу механическую работу от двигателя, и тогда создается непрерывный поток газа, в котором давление газа возрастает. Избыточная же кинетическая энергия в колесе (при c_u1 = 0 она равна 0,5с²_u) является неизбежным следствием работы колеса, но сама по себе не нужна: для перемещения газа из области низкого р₁, в область высокого давления р₂ и далее по проточной части достаточна расходная скорость с_z. Сохранение закрутки потока после РК только увеличило бы потери трения о стенки проточной части.

Известно, что кинетическая энергия газа переходит в энергию давления, если скорость снижается в каналах специальной формы – диффузорах. У рассматриваемой ступени диффузоры образованы поверхностями соседних неподвижных лопаток направляющего аппарата(сечения 2, 3 на рис.9). Соответствующая плоская решетка показана на рис.11-б.

Лопатки направляющего аппарата изогнуты таким образом, что входящий в межлопаточные каналы со скоростью с₂ поток отклоняется к осевому направлению, его закрутка уменьшается и на выходе скорость с₃ становится равной расходной составляющей с_z, а давление возрастает р₃ > р₂. Следовательно, в сечениях 1 и 3 скорости с₁ = с₃ = с_z равны и в пределах ступени РК+НА кинетическая энергия не меняется. Благодаря направляющему аппарату поток выходит из ступени не только с той же величиной скорости, но и с тем же направлением, как на входе. Это позволяет в случае необходимости поставить вслед за первой вторую, третью и т.д. ступени.

У современных осевых компрессоров число последовательно устанавливаемых ступеней достигает 15 – 25 и более. В результате конечное давление р_к может превышать начальное р_н в десять – тридцать (и более) раз при обычном для одной ступени .

Выходное устройство (сечения 3 – К) отводит газ от ступени (от последней ступени в случае многоступенчатого компрессора) к трубопроводу сети. Скорость в трубопроводе не может быть большой, иначе по пути к потребителю будет потеряна большая часть давления. Поэтому выходное устройство состоит из осесимметричного кольцевого диффузора (сечение 3 – коническое сечение 4) и патрубка (сечения 4 – К), собирающего газ по окружности выхода из диффузора и направляющего его в нагнетательный трубопровод.

Итак, проточная часть осевого компрессора состоит из следующих элементов (см. рис.9):

- входного патрубка (сечения Н – 1), в который газ засасывается и где он разгоняется до скорости с₁, благодаря разрежению, создаваемому рабочим колесом;

- одной или нескольких ступеней (сечения 1 – 3), состоящих из рабочего колеса и направляющего аппарата;

- выходного диффузора (сечения 3 – 4);

- выходного патрубка (сечения 4 – К).

На рис.12 – Слайд 5 показана схема одноступенчатого центробежного компрессора, аналогичного по принципу действия рассматриваемому выше осевому компрессору. Лопатки 1 рабочего колеса расположены не на цилиндрической поверхности ротора, как у осевого, а на радиальной поверхности основного диска 2 рабочего колеса. Высота лопаток меньше, чем у осевого компрессора, поэтому протечки через зазор между неподвижным корпусом и открытыми торцами лопаток, как у ОК, были бы слишком велики. Поэтому торцы лопаток закрыты покрывающим диском 3. Лопатки 1 и диски 2 и 3 образуют центробежное рабочее колесо закрытого типа. Иногда покрывающий диск не делают, тогда колесо называют полуоткрытым.

При вращении колеса его лопатки закручивают поток, т.е. придают ему окружную составляющую скорости с_u и перемещают газ в направлении от оси машины к периферии, чем объясняется название машины – центробежный компрессор. При движении газа через межлопаточные каналы колеса и потом через неподвижные лопатки следующего элемента ступени, лопаточного диффузора 4, за поверхности тока можно приближенно принять радиальные плоскости. На рис.12-б показано сечение центробежной ступени радиальной плоскостью. Пересечение этой плоскости с лопатками колеса и лопаточного диффузора образует соответствующие элементарные круговые решетки, форма которых ясна из рис.12-б.

Характер взаимодействия лопаток колеса с потоком такой же, как у осевого компрессора. Аэродинамическая сила Р_а создает на лопатках колеса момент, для преодоления которого необходим приводной двигатель. Сила Р_а', действующая на газ со стороны лопаток, заставляет газ двигаться со скоростью c в направлениях u и r. Составляющая скорости c_u – «закрутка», составляющая c_r – расходная скорость. Возникающее перед лопатками разрежение заставляет газ непрерывно двигаться к колесу, сначала в осевом направлении, а потом – в радиальном (рис.12-а). Лопатки диффузора 4 сделаны так, что скорость на его выходе с₄ меньше, чем с₂, как за счет радиальной, так и за счёт окружной составляющей. Выходное устройство – улитка 5– собирает газ по окружности лопаточного диффузора 4 и выводит его из проточной части. Обычно скорость с_к < с₄, т.е. улитка – это дополнительный диффузор.

Рис.12. Схема одноступенчатого центробежного компрессора

а) – меридиональная плоскость, б) – радиальная плоскость

Показанная на рис.12 схема соответствует одноступенчатому компрессору. Если для получения большого конечного давления требуется последовательное сжатие в нескольких ступенях, вместо улитки применяют обратно-направляющий аппарат. Форма этого элемента ясна из рис.13 – Слайде 6, где показана схема многоступенчатого центробежного компрессора.

Рис.13. Схема двухступенчатого центробежного компрессора

В основном элементе центробежной ступени – рабочем колесе – в меридиональной плоскости газ движется от центра к периферии, чем объясняется название этого типа турбокомпрессоров («центробежный»). Более общее и реже применяемое название – радиальный компрессор.Дело в том, что иногда требуется осуществлять процесс сжатия при обратном направлении движения газа в РК – от периферии к центру. Это неэффективно с позиций организации рабочего процесса, но может быть целесообразно по конструктивным соображениям у некоторых нетипичных компрессоров.

Классификация турбокомпрессоров

Классификация ТК призвана облегчить ориентировку в многообразии машин этого класса. Как и любая другая классификация ТК условна и не общепринята.

Наиболее бесспорно деление ТК по характеру движения газа в проточной части - осевые и центробежные компрессоры. Узкое применение находят диагональные компрессоры, в рабочих колесах которых меридиональная проекция скорости c_m направлена примерно под углом 45⁰ к оси ротора. По конструкции и характеру движения газа эти обычно одноступенчатые машины ближе к форсированным центробежным компрессорам и применяются для получения очень больших отношений давления (5 – 8) в одной ступени.

Осецентробежные компрессоры представляют собой комбинацию осевых и центробежных ступеней. Рациональность их применения связана с тем, что осевые ступени способны пропускать большие объемные расходы, а центробежные могут быть эффективны при меньших объемных расходах. По мере сжатия объемный расход в ТК уменьшается от ступени к ступени, поэтому в конце проточной части применение центробежных ступеней оправдано (есть и другие соображения в пользу осецентробежных машин).

Одноступенчатые имногоступенчатые ТК – смысл классификации очевиден.

Однопоточные и многопоточные. Для увеличения массового расхода при ограниченных какими-либо соображениями радиальных размерах РК газ в проточной части может двигаться параллельно двумя (изредка более чем двумя) потоками.

Транспортные и промышленные ТК (последние иногда именуются стационарные) – классификация по области применения. Транспортные ТК – это машины в составе газотурбинных двигателей и ДВС. Для них очень важны массогабаритные показатели. Применяются высокие окружные скорости, что уменьшает радиальные размеры и количество ступеней. Используются околозвуковые и сверхзвуковые ступени. В некоторых контрольных сечениях таких ступеней воздух движется с околозвуковой (близкой к скорости звука) или сверхзвуковой скоростью. У транспортных ЦК применяются рабочие колеса с большими выходными углами лопаток (высокие коэффициенты теоретического напора). Все перечисленное приводит к несколько пониженному КПД, сравнительно узкой зоне работы, ограниченному ресурсу, особо высоким требованиям к материалу рабочих колес транспортных ТК. У промышленных ТК первостепенное значение придается максимальному КПД, широкой зоне работы, долговечности (эти машины эксплуатируются десятки лет), технологичности производства и стоимости материалов. В результате и газодинамические параметры и конструкция двух категорий ТК сильно разнятся.

Одновальные и многовальные ТК. При большом отношении давлений целесообразно повышать частоту вращения РК последних ступеней с пониженным массовым расходом. Наиболее современные ТК, как транспортные, так и промышленные, имеют два – три (ОК, ЦК) и до пяти роторов (ЦК), вращающихся с разной скоростью.

Однокорпусные и многокорпусные ОК и ЦК. При большом количестве ступеней их невозможно расположить в одном корпусе. Многокорпусные машины – это последовательно работающие компрессора, объединенные общим приводом, системами, фундаментом.

По отношению давлений. В этой классификации нет единого подхода. Для воздушных ЦК часто выделяют упомянутые выше вентиляторыс отношением давлений до 1.2, нагнетатели – машины без промежуточного охлаждения и компрессоры– машины с промежуточным охлаждением. Крупные машины с небольшим отношением давлений называют воздуходувками и газодувками.

По конечному давлению ЦК делят на компрессоры низкого давления (до 5 МПа), высокого давления (до 35 МПа) и сверхвысокого давления. Первые два из упомянутых не следует путать с названиям корпусов сжатия (корпуса низкого, среднего, высокого давления) многокорпусных ЦК и ОК, которые носят такие же названия независимо от уровня давлений.

По сжимаемому газу - воздушные, газовые, а так же кислородные, водородные, хлорные и т.п.