Sprężarki wirowe. Opis budowy i zasada działania

Plan pracy:
1. Definicja sprężarki i jej zastosowanie.
2. Klasyfikacja sprężarek.
3. Podział i zasada działania sprężarki wirowej.
4. Opis budowy i zalety sprężarki osiowej ( na przykładzie sprężarki szwajcarskiej firmy Sulzer).
5. Opis budowy i zalety sprężarki promieniowej ( na przykładzie sprężarki włoskiej firmy Nuowo Pignone).
6. Charakterystyka sprężarek wirowych.

Ad.1
Sprężarka jest to maszyna robocza do sprężania i przetłaczania czynników gazowych ( najczęściej powietrza). Jako maszyna robocza sprężarka nie wytwarza energii, lecz pobiera ja od silnika, w który musi być wyposażona.
Sprężarki mogą pracować jako samodzielne jednostki lub mogą wchodzić w kład bardziej złożonych urządzeń, takich jak chłodziarki, silniki cieplne, kotły parowe itp.

Wielkości charakteryzujące sprężarkę to: wytwarzane ciśnienie, wydajność (tj. strumień objętości lub masy), sprawność, natężenie hałasu oraz cechy konstrukcyjne i eksploatacyjne.

Ad.2
Klasyfikacja sprężarek według zasady działania:

a) objętościowe (wyporowe):
➢ tłokowe
➢ rotacyjne
➢ membranowe
➢ bezkorbowe silnikosprężarki

b) przepływowe (wirowe)
➢ diagonalne
➢ osiowe
➢ promieniowe

Ze względu na wartość wytwarzanego przyrostu ciśnienia gazu maszyny sprężające można podzielić na:
• sprężarki-przyrost ciśnienia 0,2÷200 MPa
• dmuchawy- przyrost ciśnienia 15÷200 kPa
• wentylatory –przyrost ciśnienia do 15 kPa
• pompy próżniowe, wytwarzające podciśnienie

W sprężarkach objętościowych proces sprężania odbywa się w sposób pulsacyjny, a ciśnienie wzrasta na skutek zmniejszenia objętości czynnika roboczego.
Sprężarki przepływowe sprężają czynnik roboczy w sposób ciągły, pod wpływem ruchu obrotowego wirnika z odpowiednio ukształtowanymi łopatkami.
W przypadku sprężania do wysokiego ciśnienia dużych ilości gazu stosuje się szeregowe układy sprężarkowe, np. ze wstępnym sprężaniem w sprężarkach przepływowych i ostatecznym- w sprężarkach objętościowych.

Ad.3
Sprężarki wirowe dzielimy na:
• osiowe
• promieniowe
• osiowo-promieniowe

Są one budowane jako jedno- i wielostopniowe.
Liczbę stopni sprężarki określa liczba wirujących wieńców łopatkowych.

Schemat sprężarki wirowej osiowej
1-dyfuzor, 2-wał wirnika, 3-łopatki wirnika, 4-nieruchome łopatki kierownicze

Schemat sprężarki wirowej promieniowej
1-dyfuzor, 2-wał wirnika, 3-łopatki wirnika, 4-nieruchome łopatki kierownicze

W zależności od prędkości gazu rozróżnia się sprężarki :
• Wirowe naddźwiękowe (stosowane w lotnictwie)
• Wirowe poddźwiękowe

Przyjmuje się, że w teoretycznej sprężarce wirnikowej, podobnie jak w sprężarkach tłokowych, krzywa sprężania jest adiabatą (krzywa Δ Q= 0)-pokazuje to poniższy rysunek.

Przebieg sprężania w teoretycznej sprężarce

Ponieważ w przypadku sprężarki teoretycznej nie uwzględnia się strat, więc zachodząca w niej przemiana adiabatyczna jest przemianą odwracalną tzn. izentropową.

Sprężarki wirowe dostarczają dużych ilości sprężonego gazu, lecz uzyskiwany w nich przyrost ciśnienia jest stosunkowo niewielki. Dlatego można przyjąć, że proces sprężania w rzeczywistej sprężarce odbywa się adiabatycznie. Jednak ze względu na występujące straty
( ciepło tarcia wydzielające się w sprężarce) przemiana ta nie jest odwracalna i może być traktowana jako przemiana politropowa.

Ad.4

Sprężarka osiowa szwajcarskiej firmy Sulzer

1-króciec wlotowy, 2-nieruchome wieńce łopatkowe (kierownicze), 3-dyfuzor,
4-króciec wylotowy, 5-wirujące wieńce

Sprężarka osiowa składa się z podstawowych elementów przepływowych:
króćca wlotowego 1, kompletu stopni, w skład którego wchodzą wirujące wieńce łopatkowe 5
(zamocowane na wirniku) i nieruchome wieńce łopatkowe 2 ( osadzone w kadłubie), dyfuzora 3 oraz króćca wylotowego 4.

Wirnik sprężarki osiowej może mieć konstrukcje bębnową ( tak ja powyższym rysunku)
lub może się składać z oddzielnych tarcz zamocowanych na jednym wale.
W zależności od zastosowania sprężarki osiowe są budowane o bardzo zróżnicowanej wydajności objętościowej (QV =10÷200 m³/s) i różnym sprężu (v = 1,13 ÷ 12,0).
Ich prędkość obrotowa jest bardzo duża i dochodzi do 30 000obr/min.
W sprężarkach osiowych na ogół nie stosuje się chłodzenia gazu w czasie sprężania. Są one stosowane głównie w lotniczych silnikach turbospalinowych, w przemysłowych i energetycznych turbinach gazowych oraz w hutnictwie.

Zalety sprężarek osiowych to:
• duża sprawność w znamionowych warunkach pracy
• duża wydajność przy stosunkowo małych wymiarach.


Główną ich wadę stanowi mniejszy spręż uzyskiwany w jednym stopniu, w porównaniu ze sprężem jednego stopnia sprężarki promieniowej. Stąd konieczność budowania sprężarek o dużej liczbie stopni.

Ad.5
W skład sprężarki promieniowej jednostopniowej wchodzą następujące elementy
przepływowe:
Króciec wlotowy 1, koło wirnikowe 2 z łopatkami, dyfuzor bezłopatkowy 3, kolektor zbiorczy 4 i króciec wylotowy 5.
Sprężarka ta jest napędzana za pośrednictwem przekładni przyspieszającej 6 i jest wyposażona w pompę oleju 7.
Dla uzyskania większego stopnia sprężania są budowane sprężarki wielostopniowe
(do 12 stopni), z wirnikami połączonymi szeregowo. Sprężarka wielostopniowa jest wyposażona w chłodnice międzystopniowe.
Wielostopniowe sprężarki promieniowe są budowane jako jednowatowe lub wielowałowe. W sprężarkach jednowałowych wszystkie koła wirnikowe pracują z jednakową prędkością, w sprężarkach wielowałowych zaś prędkości obrotowe kół wirnikowych mogą być różne.

Sprężarki promieniowe są budowane o wydajności QV = 1,2 ÷ 30 m³/s
oraz sprężu v = 1,13 ÷ 12,0. Sprężarki promieniowe pracują w dużym zakresie prędkości obrotowej (n = 3000 ÷ 30 000 obr/min).


Zalety sprężarek wirowych promieniowych:
• duży spręż uzyskiwany w jednym stopniu
• wysoka sprawność w znamionowych warunkach pracy

Jednostopniowa sprężarka promieniowa włoskiej firmy Nuowo Pignone
1-króciec wlotowy, 2-koła wirnikowe, 3-dyfuzor bezłopatkowy, 4-kolektor zbiorczy,
5-króciec wylotowy, 6-przekładnia przyśpieszająca, 7-pompa oleju

Ad.6
Charakterystyką sprężarki wirowej jest wykres zależności ciśnienia tłoczenia pZ, mocy PN i sprawności ηe od wydajności QV . Charakterystykę przedstawioną na wykresie sporządzono przy założeniu stałej prędkości obrotowej, stałego ciśnienia ps i stałej temperatury Ts czynnika na wlocie do sprężarki.
Na wykresie zaznaczono punkt A, odpowiadający największemu ciśnieniu tłoczenia pz. Nazwano go punktem krytycznym. Odcinkowi charakterystyki leżącemu na lewo od punktu A odpowiada niedostateczna praca sprężarki.


Charakterystyka sprężarki wirowej

W przypadku zbyt małej wydajności, określonej punktem krytycznym, praca sprężarki staje się niespokojna, następują przerwy w tłoczeniu gazu, jego chwilowy przepływ przez sprężarkę w odwrotnym kierunku i drgania sprężarki. Towarzysz temu cykliczne odgłosy podobne do charakterystycznych dla pompy tłokowej. Stąd zjawisko to nazwano pompowaniem sprężarki. Dłuższa praca sprężarki w warunkach pompowania jest niedopuszczalna. Zjawisko pompowania stanowi poważną wadę sprężarek wirowych.

Statecznej pracy sprężarki wirowej odpowiada odcinek charakterystyki położony na prawo od punktu A. Najbardziej ekonomiczna jest praca sprężarki przy wydajności odpowiadającej największej sprawności ηe max . Parametry sprężarki odpowiadające jej największej sprawności nazwano parametrami optymalnymi. Sprawności ηe max odpowiadają więc ciśnienie pz opt i moc PN opt .

Schematy w załączniku poniżej