Compresor centrifugal

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Un compresor centrifugal constă dintr-un corp extern care închide un rotor cu difuzorul său (în acest caz de tip în formă de pană)

Un compresor centrifugal, sau compresor radial, este o turbomachină care funcționează în care un rotor setat în rotație rapidă furnizează energie unui fluid compresibil pentru a crește presiunea .

Istorie

Diferite configurații ale unui compresor centrifugal

Primele aplicații cu utilizarea ventilatoarelor centrifuge au fost în domeniul industriei miniere extractive pentru ventilația forțată a minelor începând cu secolul al XVI-lea . Cu toate acestea, până în prezent, invenția rotorului, care este una anterioară, rămâne incertă.

Unii cred că Leonardo da Vinci a sugerat mai întâi utilizarea forței centrifuge pentru ridicarea lichidelor [1] , alte surse raportează că Johann Jordan, în 1680, a construit o pompă centrifugă primitivă, urmată în 1703 de Denis Papin l-a folosit pentru a clarifica formarea unui vortex forțat într-un recipient circular sau spiralat prin utilizarea palelor. [1] [2] [3] Mai târziu, alți oameni de știință, cum ar fi Kernelien Le Demour, în 1732, și Daniel Gabriel Fahrenheit vor descrie rotoarele centrifuge, dar nu există aplicații practice ale studiilor lor. [1]

Între 1752 și 1754, Euler a discutat teoria sa despre vârtejuri ca parte a cercetărilor sale în domeniul hidrodinamicii. Abia în 1818, însă, a fost prima pompă centrifugă modernă construită de o persoană anonimă, cunoscută sub numele de Pompa Boston (sau Massachusetts), locul său de origine. [2]

Primul brevet pentru o turbină cu gaz a fost emis în 1791 englezului John Barber , dar tehnologia vremii nu era încă gata. Eficiența slabă a compresoarelor, combinată cu materiale care nu au fost capabile să reziste la temperaturi ridicate, a împiedicat, până la începutul secolului al XX-lea , construirea de turbine capabile să deplaseze compresorul și, în același timp, să ofere o muncă utilă. Primii care au reușit au fost frații Armengaud din Franța, care, pe baza unui brevet al lui Charles Lemale, au construit o turbină între 1905 și 1906. Această turbină mixtă abur-aer a fost echipată cu un compresor centrifugal cu mai multe trepte care a furnizat un raport de compresie total de 3 : 1 și în timp ce a funcționat, a fost eficient doar cu 3%. [4]

În domeniul aeronautic, a fost necesar să se aștepte până în anii 1930 pentru ca tehnologia să permită utilizarea turbinei cu gaz pentru propulsia aeriană cu primele modele de turboreactoare cu compresor centrifugal studiate de Frank Whittle în Marea Britanie și Hans von Ohain în Germania .

Descrierea funcției

Tendință calitativă de presiune și viteză în diferitele secțiuni ale unui compresor centrifugal.

Compresorul centrifugal este format dintr-un disc palat (rotor sau rotor ) setat în rotație la viteză mare. Datorită forței centrifuge exercitate de discul paletei, aerul este aspirat din centrul rotorului și accelerat radial cu o anumită creștere a presiunii dinamice. Odată ce aerul a părăsit rotorul, acesta este transportat într-un difuzor format din canale divergente (partea statorică a turbomachinei) care convertește energia cinetică în energie de presiune. [5]

Compresoarele centrifuge sunt în general proiectate în așa fel încât creșterea presiunii să se producă pe jumătate în rotor și pe jumătate în difuzor, adică cu un grad de reacție egal cu 1/2. Cu cât viteza de rotație a rotorului este mai mare, cu atât debitul și creșterea presiunii sunt mai mari. Limita superioară a vitezei de rotație este totuși dictată de considerații constructive legate de solicitările mecanice care acționează asupra discului și de viteza aerului care iese din rotor, care trebuie să fie mai mică decât numărul Mach 1 pentru a evita efectele compresibilității pe peretele limita de sunet și pompare care ar duce la prăbușirea eficienței compresorului. [5] [6] [7]

Componentele principale

Compresorul radial constă dintr-o parte a rotorului (rotor) și o parte a statorului (difuzor) închisă de un corp (sau carcasă) care acționează ca o admisie de aer (intrare) și ca un colector de ieșire. În unele motoare de aeronave, mai multe compresoare centrifuge pot fi montate în serie (unul în aval de celălalt) pentru a crește raportul de compresie total.

Rotor

Schema de vedere frontală a unui rotor cu compresor centrifugal, cu triunghiul relativ al vitezei evidențiat.
Rotor de tip deschis al unui compresor centrifugal.
Rotor de tip închis al unui compresor centrifugal.

Rotorul, format dintr-un disc rotor, poate fi deschis sau închis (există un al doilea disc obținut pe rotor care acoperă paletele și sigilează canalele), în plus palele pot fi pe una sau pe ambele fețe ale discului. Ultimul caz, un rotor cu dublă admisie, a fost utilizat pe scară largă la primele motoare turbojet echipate cu un compresor centrifugal (cum ar fi Nene ) pentru a crește debitul cu o dimensiune axială puțin mai mare.

Primele compresoare centrifugale aveau lame radiale drepte pentru a rezista mai bine la solicitările mecanice datorate forței centrifuge. Odată cu rafinarea tehnicilor metalurgice și introducerea de noi materiale, paletele urmează profiluri curbate care îmbunătățesc performanța. În cazul ideal, cu aceeași viteză periferică a rotorului ( V p în imagine spre lateral), un profil de ieșire curbat în direcția opusă celei de rotație, implică viteze absolute mai mici ( V t ) și pierderi mai mici în difuzor, invers un profil cu muchia de atac curbată în direcția de rotație favorizează intrarea aerului. [6] Din acest motiv, lamele cu un unghi de ieșire mai mare de 90 ° (prin urmare curbate înainte, într-un mod concordant cu direcția de rotație), sunt adesea utilizate în cazul ventilatoarelor în care componenta cinetică joacă un rol relevant cu respect la variația nivelului de presiune între intrarea și ieșirea rotorului.

În cazul ideal, aerul părăsește rotorul cu doar viteza relativă ( V r ) la care, după cum sa menționat, se adaugă viteza periferică. Cu toate acestea, în cazul real, în cadrul fiecărui canal între două lame se stabilește un gradient de presiune transversal (în analogie cu ceea ce se întâmplă într-un profil aerian) care generează o componentă a vitezei relative, astfel încât să alunece [8] l 'aerul înapoi cu un anumit unghi . Aceasta implică faptul că, în cazul real, componenta vitezei aerului la ieșirea tangențială a rotorului va fi mai mică decât viteza periferică a rotorului, reducând schimbul teoretic de energie (pe unitate de masă) disponibil, care va fi valid ( pentru un compresor centrifugal cu intrare axială și ieșire radială):

unde cu este indicată componenta tangențială la disc a vitezei de ieșire, cu viteza periferică a rotorului și cu (numit și factor de alunecare ) raportul dintre cele două viteze (cu o valoare tipică de aproximativ 0,9). [6]

În plus, datorită pierderilor de frecare cauzate de trecerea aerului între diferitele componente ale compresorului, trebuie asigurată mai multă muncă decât ideal și prin introducerea unui factor de intrare de putere. (cu valori tipice cuprinse între 1.035 și 1.04) schimbul de energie din compresor va fi:

Raportul de compresie poate fi exprimat considerând transformarea ca fiind adiabatică , deoarece rapiditatea trecerii aerului în compresor face ca schimburile termice cu exteriorul să fie neglijabile. Prin introducerea eficienței adiabaticec ) [9] raportul de compresie poate fi exprimat ca:

unde cu Și sunt indicate presiunile totale la intrarea și ieșirea compresorului, cu căldura specifică la presiune constantă , cu raportul dintre căldurile specifice la presiunea și volumul constant și cu temperatura de stagnare la intrare .

Cu cât viteza de rotație a rotorului este mai mare, cu atât va fi mai mare raportul de compresie realizabil. Pe de altă parte, vitezele periferice ridicate implică solicitări mecanice consecvente care sunt dăunătoare profilelor curvilinei și discurilor rotorului. Pentru rotorele din aliaj ușor, viteza periferică este în general limitată la aproximativ 460 m / s, ceea ce permite obținerea (cu o singură treaptă) a unor rapoarte de compresie de aproximativ 4: 1. Prin utilizarea unor materiale mai rezistente, cum ar fi aliajele de titan , se pot realiza rapoarte de compresie mai mari de 8: 1.

Difuzor

Aerul care iese dintr-un rotor are o energie cinetică ridicată care trebuie transformată în mod adecvat într-o creștere a presiunii statice. Difuzia într-un flux subsonic poate fi realizată prin realizarea unei conducte divergente. Cu toate acestea, deoarece fluxul întâlnește un gradient de presiune opus de-a lungul canalului, unghiul de divergență a pereților nu trebuie să fie prea mare pentru a evita detașarea venei în apropierea pereților cu formarea de vortexuri și, prin urmare, pierderea presiunii statice și a creșterii temperaturii . Dacă, pe de altă parte, unghiul ar fi prea mic, ar exista o creștere a lungimii conductei cu o creștere în greutate și o pierdere totală de presiune. [6]

În general, divergența care permite conținerea conductelor și pierderile mai mici este de aproximativ 7 °, valoare care se poate dubla în cazul difuzoarelor cu un raport lungime / lățime scăzut (sau rază) fără pierderi semnificative de presiune de stagnare. [10]

Colector

La ieșirea difuzorului, debitul poate fi colectat de un singur colector (dacă aerul urmează să fie trimis la o singură utilizare) sau de o serie de colectoare dacă sunt necesare surse separate, cum ar fi, de exemplu, camerele de ardere introduceți un turboreactor.

Efecte de compresibilitate

Când viteza relativă dintre un fluid compresibil și un corp solid atinge viteze apropiate de cea a sunetului ( numărul Mach = 1), fenomenele de detașare a venelor sunt declanșate cu formarea de vortexuri și unde de șoc care disipă energia rezultând pierderi considerabile de presiune totală. Deoarece procesul de difuzie este deja critic la viteză mică, este clar că atingerea vitezei sonore la intrarea unui difuzor poate duce la pierderi mari. În compresoarele aeronautice, din motive de dimensiune și greutate, încercăm să obținem debitele maxime cu rotorele mici, atingând viteze de rotație foarte mari, dar în general dimensionate pentru a nu depăși Mach 0,8.

Într-un compresor aeronautic, atunci, viteza de intrare în rotor nu este neglijabilă, deoarece viteza relativă de intrare la capetele palelor poate ajunge și la Mach 1. Acest lucru poate fi parțial atenuat prin instalarea lamelor în admisia de aer. induceți o rotație a debitului care intră în rotor prin reducerea vitezei relative pe palele rotorului. Pe de altă parte, această soluție reduce schimbul teoretic de energie al compresorului cu o cantitate egală cu produsul dintre componenta axială ( ) și componenta tangențială ( ) a vitezei de intrare

Fenomene de instabilitate

În interiorul unui compresor, pot fi create fenomene de instabilitate care afectează performanța mașinii. În special, sunt identificate instabilitățile la nivel global care implică întregul sistem de mașină-circuit extern și instabilitățile la nivel local care afectează doar funcționarea mașinii. În general, fenomenele globale de instabilitate apar în anumite condiții de operare în care perturbările mici sunt amplificate de sistem, mai degrabă decât să fie amortizate.

Ciclul de pompare este un fenomen de instabilitate globală (generat la atingerea limitei de pompare ) care implică atât compresoare centrifuge, cât și compresoare axiale. Oscilațiile (care au în general o frecvență de câțiva hertz ), cauzate de schimbarea bruscă a debitului solicitată de utilizator, produc variații de presiune în ramura de livrare a circuitului, cu consecința fluxului invers către compresor.

Standul rotativ este un fenomen de instabilitate locală creat de detașarea venei fluide de la suprafața paletelor care apare în principal atunci când debitul și viteza constantă de rotație a mașinii scad. Acest tip de instabilitate implică variații reduse ale debitului spre deosebire de pompare, dar provoacă tensiuni periodice pe lame, care pot genera defecțiuni la oboseală. Trebuie subliniat faptul că acest tip de fenomen este mai prezent la compresoarele axiale, deoarece compresoarele centrifuge au un câmp centrifugal radial care împiedică sau face mai dificilă desprinderea venei fluide de lamă.

Aplicații

Secțiunea transversală a unui compresor centrifugal al unui motor turbojet ( de Havilland Goblin ): #Compresor pentru aer condiționat în cabină #Compresor pentru sistemul pneumatic (cărucioare și piese auxiliare) # Admisie de aer (furnizat de prizele de aer la rădăcina aripii ) # Cuplaj motor starter (neasamblat) # Tuburi de alimentare ale injectoarelor în interiorul camerei de ardere # 16 camere tubulare de ardere dispuse în jurul motorului # Arborele principal, conectează compresorul și turbina # Conul posterior (turbina carenaj) a evacuării # Duza de evacuare # Manșon în jurul evacuării care furnizează aer cald pentru încălzirea habitaclului # Paletă stator turbină # Compresor centrifugal

Aceste compresoare sunt utilizate în principal în motoarele de aeronave mici, în industria auto și motociclete (Kawasaki H2) ca parte a sistemului de supraalimentare.

Sunt utilizate pe scară largă în aplicații de proces și pentru aplicații în care doriți să evitați orice contaminare a gazului pompat cu fluide sau solide - nu necesită lubrifiere pe partea de gaz, deoarece arborii sunt în consolă, ca și în pompa centrifugă , permițând o bună rapoarte de compresie pe etapă (până la 10: 1 pentru compresoarele radiale) și de obicei nu mai puțin de 1,5.

Se utilizează compresoare centrifuge :

Beneficii

Grafic al eficienței unui compresor centrifugal, în funcție de compresie, viteză și debit

Avantajele unui compresor centrifugal:

  • compactitate axială;
  • frecare mecanică redusă datorită compactității axiale (ceea ce se traduce printr-o bună eficiență mecanică );
  • cost redus de construcție;
  • debite mari (dacă se compară cu cele ale compresoarelor cu piston );
  • raport de compresie ridicat pe etapă comparativ cu un compresor axial .

Dezavantaje

Dezavantaje ale unui compresor centrifugal:

  • raport de compresie total scăzut (comparativ cu un compresor alternativ )
  • existența unei viteze minime de funcționare ; compresoarele centrifuge au o limită inferioară a vitezei de funcționare, sub care funcționarea mașinii nu are loc sau nu este garantată;
  • existența unei viteze maxime de funcționare dincolo de care vibrațiile primite de rotor nu sunt admisibile din punct de vedere mecanic (vorbim deci de „rotoare neechilibrate”); [11]
  • posibila declanșare a fenomenului de blocare (fenomen absent în compresorul alternativ ).

Notă

  1. ^ a b c ( EN ) Abraham Engeda, De la Palatul de Cristal la sala pompelor , pe memagazine.org . Adus la 16 decembrie 2011 (arhivat din original la 15 ianuarie 2009) .
  2. ^ A b (EN) FA Brix, Centrifugal Pumps , McGraw-Hill Book Company, Inc, 1915.
  3. ^ (EN) Michael T. Gracey, Pompe de înaltă presiune, Elsevier Inc., 2006, ISBN 0-7506-7900-X .
  4. ^ (EN) Istoria turbinei cu gaz , pe turbomachine.com. Adus la 16 decembrie 2011 .
  5. ^ a b Giacosa , pp. 749-750 .
  6. ^ a b c d Fausto Gamma, Motoare pentru aeronave - Compresorul centrifugal ( PDF ), pe cursul de motoare pentru aeronave - Universitatea La Sapienza din Roma .
  7. ^ Rolls-Royce , pp. 19-21 .
  8. ^ în engleză acest fenomen se numește slip .
  9. ^ eficiența adiabatică este raportul dintre lucrul unui ciclu ideal și cel efectiv absorbit de compresor, cu valori tipice cuprinse între 0,8 și 0,85.
  10. ^ Motoare aeronave Capitolul 5 Compresor centrifugal .
  11. ^ Mai precis, limita vitezei maxime este impusă de faptul că, dacă la ieșirea palelor se atinge viteza sonică, ne confruntăm cu peretele sonor (sau conul Mach ), adică o undă de presiune care determină ca fluxul de fluid este mai mult sau mai puțin intermitent. Se spune că compresorul și-a atins limita de pompare (sau limita de supratensiune sau debitul de supratensiune în engleză). Dezechilibrul aparent al rotorului derivă tocmai din faptul că presiunea pe pală nu este uniformă. Aproape toate compresoarele centrifuge (și multe compresoare axiale) sunt, prin urmare, echipate cu un sistem anti-supratensiune , constând în cele mai simple cazuri de bypass între livrare și aspirație, sau în cazuri mai complexe printr-un control al vitezei (soluție puțin utilizată, datorită costuri asociate ridicate).

Bibliografie

  • B. Lakshminarayana, Dinamica fluidelor și transferul de căldură al turbomachinei , Wiley-Interscience, ISBN 0-471-85546-4 .
  • DG Wilson și T. Korakianitis, The Design of High-Efficiency Turbomachinery and Gas Turbines , ediția a II-a, Prentice Hall, 1998, ISBN 0-13-312000-7 .
  • NA Cumpsty, Compressor Aerodynamics , Krieger Publishing, 2004, ISBN 1-57524-247-8 .
  • A. Whitfield și NC Baines, Design of Radial Turbomachines , Longman Scientific & Technical, 1990, ISBN 0-470-21667-0 .
  • HIH Saravanamuttoo, GFC Rogers și H. Cohen, Gas Turbine Theory , ediția a 5-a, Prentice Hall, 2001, ISBN 0-13-015847-X .
  • David Japikse și NC Baines, Introduction to Turbomachinery , Oxford University Press, 1994, ISBN 0-933283-06-7 .
  • David Japikse, Centrifugal Compressor Design and Performance , Concepts ETI, 1996, ISBN 0-933283-03-2 .
  • David Japikse și NC Baines, Diffuser Design Technology , Concepts ETI, 1998, ISBN 0-933283-08-3 .
  • Arthur J. Wennerstrom, Proiectarea ventilatoarelor și compresoarelor cu flux axial foarte încărcat , Concepts ETI, 2000, ISBN 0-933283-11-3 .
  • D. Japiske, WD Marschner și RB Furst, Proiectarea și performanța pompei centrifuge , Concepts ETI, 1997, ISBN 0-933283-09-1 .
  • D. Japiske, Advanced Experimental Techniques in Turbomachinery , ediția I, Concepts ETI, 1986, ISBN 0-933283-01-6 .
  • Dennis G. Shepard, Principiile Turbomachinery , Mcmillan, 1956, LCCN 56002849 .
  • Nicholas C. Baines, Fundamentals of Turbocharging , Concepts ETI, 2005, ISBN 0-933283-14-8 .
  • Ronald C. Pampreen, Compressor Surge and Stall , Concepts ETI, 1993, ISBN 0-933283-05-9 .
  • Ronald H. Aungier, Compresoare centrifuge A Strategy for Aerodynamic design and Analysis , ASME Press, 2000, ISBN 0-7918-0093-8 .
  • Dixon SL,Mecanica fluidelor, Thermodynamics of Turbomachinery , Ediția a treia, Pergamon Press, 1978, ISBN 0-08-022722-8 .
  • Dante Giacosa, Motoare endotermice , Hoepli, ISBN 88-203-2633-7 .
  • ( RO ) Departamentul de publicații tehnice Rolls-Royce plc, Jet Engine , ediția a cincea, Renault Printing Co Ltd, 1996, ISBN 0-902121-23-5 .
  • Elia Alessandro, Fluid Dynamics in Steam Turbines on Ships , Hoepli, 1998, ISBN 0-470-21667-0 .

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Thesaurus BNCF 56255 · LCCN (EN) sh2013000628