Регулирование изменением частоты вращения

 

Изменение газодинамических характеристик компрессора за счет увеличения или уменьшения окружных скоростей рабочих колес реализуется за счет использования привода с переменной частотой вращения, а именно паровой или газовой турбины, электродвигателя постоянного тока, электродвигателя переменного тока с частотным преобразователем.

Рассмотрим случай (рис. 10.5), когда при изменении давления в системе турбокомпрессор должен обеспечивать постоянную производительность (). При снижении давления от Р_А до Р_В, производительность увеличивается от Q_А до Q_В при частоте вращения n _об. Изменяя частоту вращения до 0,9 n _об, рабочая точка переместится в точку В'. Если давление увеличивается от Р_А до Р_С, производительность уменьшается от Q_А до Q_С. Для обеспечения необходимо повысить частоту вращения до
1,05 n _об. Рабочая точка в этом случае определяется точкой С'.

Рассмотрим теперь случай, когда необходимо поддерживать постоянным конечное давление (Р_к=const) при изменении производительности. Например, при увеличении расхода от Q_А до Q_В, следует увеличивать частоту вращения до 1,1 n _об. Рабочий режим теперь определяется точкой F.

Этот способ является самым экономичным, т.к. коэффициент полезного действия сравнительно мало меняется при изменении частоты вращения и всегда можно подобрать частоту вращения, при которой КПД будет лежать вблизи оптимума.

а) б)

Рис. 10.5. Характеристики компрессора при переменной частоте вращения:
а) конечного давления; б) коэффициента полезного действия

 

 

Построение газодинамических характеристик при различных частотах вращения ротора производится либо на основании опытных данных, либо при невысоких числах М_U пересчетом характеристики соответствующей номинальной частоте вращения на другие частоты по формулам

;

;

;

;

.

Максимальная частота вращения определяется условиями прочности роторных деталей и возможностями привода.

 

 

10.2.2. Регулирование поворотом лопаток входного регулирующего
аппарата

 

Регулирование поворотом лопаток входного регулирующего аппарата (ВРА) заключается в изменении теоретической работы сжатия () за счет придания потоку на входе в рабочее колесо положительной или отрицательной закрутки. Закрутка потока в сторону вращения колеса (θ>0; С'_{u 1}>0) приводит к уменьшению напора (h'_Т < h_Т), а закрутка в противоположную вращению сторону (θ<0; С''_{u 1}<0) – увеличению напора (h''_Т > h_Т).

Изменение теоретической работы влечет за собой изменение полезной работы сжатия и отношения давлений в ступени, т.к. . Например, если , то и .

Конструктивно, входные регулирующие аппараты могут быть осевыми (рис. 10.6 а) или радиальными (рис. 10.6 б). Первые удобно размещать в первых ступенях, последние – в промежуточных и концевых.

Рис. 10.6. Регулирование поворотом лопаток ВРА: а) осевой ВРА;
б) радиальный ВРА; в) лопаточные решетки ВРА и колеса

а) б)

Рис. 10.7. Треугольники скоростей при различной закрутке потока перед колесом: а) при постоянной объемной производительности;
б) при постоянном угле потока перед лопатками β_л1

Поворот лопаток ВРА может изменять треугольники скоростей перед входом в колесо двумя способами (рис. 10.7).

При неизменном направлении потока перед лопатками (рис. 10.7 а), производительность ступени в случае положительной закрутки уменьшается (С'_{z 1}< С_{z 1}), а при отрицательной закрутке – увеличивается (С''_{z 1}> С_{z 1}). Рост производительности при С''_{U 1}<0 приводит к возрастанию относительной скорости (чисел Маха М_{W 1}) и потерь, что снижает КПД. Поэтому работа ступени при больших отрицательных закрутках (θ>-30°) нецелесообразна.

При неизменной объемной производительности (рис. 10.7б) положительная закрутка приводит к уменьшению относительной скорости (W' ₁< W ₁) и увеличению угла потока (β' ₁> β;₁), отрицательная закрутка – к увеличению относительной скорости (W'' ₁> W ₁) и уменьшению угла потока (β'' ₁< β;₁). Однако в этом случае изменение относительных скоростей невелико что мало отражается на КПД.

Применение ВРА в каждой ступени многоступенчатого компрессора позволяет обеспечить изменение Q и π_к на требуемую величину при повороте лопаток ВРА каждой ступени на меньший угол, чем при установке ВРА только перед первым колесом. За счет этого КПД проточной части оказывается более высоким [11].

При небольшой глубине регулирования (θ<±30°) экономичность данного способа почти такая же, как и в случае регулирования частотой вращения ротора. При большей глубине регулирования эффективность применения ВРА примерно соответствует дросселированию на всасывании. Недостатком способа является усложнение конструкции машины, особенно при размещении ВРА перед каждой ступенью и необходимость преодоления значительных усилий при повороте лопаток в газах с повышенной плотностью.

Изменение характеристик турбокомпрессора при изменении угла поворота лопаток ВРА θ аналогично случаю регулирования изменением частоты вращения (рис. 10.8). Отличительной особенностью является иной характер изменения границы помпажа.

Рис. 10.8. Изменение характеристик при повороте лопаток ВРА