Конструкция и принцип действия вихревого компрессора

Вихревые компрессоры аналогично другим типам турбокомпрессоров, являются машинами динамического действия. В первом приближении рабочий процесс в ступени вихревого компрессора можно считать аналогичным процессу в центробежном компрессоре с многократной циркуляцией компримируемой среды через рабочее колесо и неподвижные элементы ступени.

Ступень вихревого компрессора (рисунок 55) состоит из рабочего колеса 1, на котором равномерно по окружности расположены лопатки, всасывающего 3, нагнетательного 2 и рабочего 5 каналов. Всасывающий и нагнетательный каналы разделены специальной перегородкой 4, которая называется разделителем.

Принцип действия вихревого компрессора заключается в следующем. Рабочая среда через всасывающий патрубок поступает на участок всасывания рабочего канала, а затем в межлопаточные каналы рабочего колеса. Подсос газа в межлопаточные каналы осуществляется порциально, преимущественно в осевом направлении. Здесь происходит преобразование механической энергии двигателя в энергию газового потока. В результате под действием центробежных сил частицы газа выбрасываются преимущественно в радиальном направлении в канал вихревого компрессора, где происходит преобразование кинетической энергии потока в потенциальную энергию давления.

Рисунок 55 – Конструктивная схема ступени вихревого компрессора

Тангенциальная скорость движения частиц уменьшается, они начинают отставать от рабочего колеса и через определенной промежуток времени опять попадают (на всасывание) в межлопаточные каналы рабочего колеса. Таким образом, частицы рабочей среды движутся от всасывающего патрубка к нагнетательному по сложной спиралеобразной траектории и лопатки рабочего колеса в отличие от других машин динамического сжатия не один, а несколько раз воздействуют на частицы газа. Это обстоятельство обеспечивает значительно больший напор вихревых компрессоров, чем у центробежных. Между нагнетательным и всасывающем патрубками в рабочем канале установлен разделитель, который предотвращает проникновение основного потока газа на участок всасывания и обеспечивает его подачу в нагнетательный патрубок компрессора.

Часть газа, заключенного в межлопаточных каналах рабочего колеса, переносится на участок всасывания. Это, с одной стороны, обеспечивает беспомпажный режим работы вихревых компрессоров, а с другой стороны,- является источником объемных и термодинамических потерь и обуславливает низкую экономичность этих компрессоров. Указанные особенности рабочего процесса приводят к тому, что у вихревых компрессоров давление газа повышается по длине проточной части. Типичная картина распределения статического давления вдоль проточной части вихревого компрессора приведена на рисунке 57 .

Рисунок 56 – Распределение статического давления по длине проточной части вихревого компрессора

Угол в радиальной плоскости принято отсчитывать линии, проходящей через ось вращения рабочего колеса и центр разделителя. Как следует из рисунка, процесс изменения давления в вихревом компрессоре можно условно разделить на четыре участка: всасывания , нагнетания , рабочий , дросселирования среды в разделителе .

На участке всасывания происходит разгон потока, смешение его со средой, поступающей из разделителя. Протяженность этого участка ограничивается сечением, в котором достигается начальное давление , т.е. .

На рабочем участке происходит монотонное повышение давления рабочей среды, чаще всего по линейному закону.

На участке нагнетания происходит процесс взаимодействия основного и возвратного (отраженного от разделителя) потоков характер изменения давления здесь существенно отличается от аналогичного на рабочем участке.

На последнем участке происходит процесс дросселирования газа, заключенного в межлопаточных каналах рабочего колеса. От давления нагнетания до давления на участке всасывания. На протяженность этих участков значительное влияние оказывают режимные параметры и геометрические соотношения проточной части вихревых машин.

Общий принцип действия вихревых компрессоров позволяет отнести их к классу машин динамического принципа действия и использовать основные понятия и определения, характеризующие рабочий процесс в этих машинах. В частности эффективность процессов преобразования энергии в проточной части вихревого компрессора принято оценивать с помощью адиабатных или политропных коэффициентов напора или КПД .

Производительность вихревых компрессоров оценивают с помощью коэффициента расхода , который представляет собой отношение среднерасходовой (тангенциальной) составляющей абсолютной скорости потока к окружной скорости в центре тяжести меридионального сечения рабочего канала . Поскольку для оптимальных проточных частей величина близка к окружной скорости на наружном диаметре рабочего колеса , то, как правило, коэффициент расхода определяют по этой скорости, т.е.

где – площадь меридионального сечения рабочего канала;

– объемная производительность вихревого компрессора, определяемая по параметрам на всасывании.