Степень сжатия воздуха: 1. Процесс сжатия воздуха — Шины для спецтехники, шины для погрузчика

Содержание

1. Процесс сжатия воздуха

Для работы турбореактивного двигателя необходима непрерывная подача сжатого воздуха в камеры сгорания. Сжатие воздуха в этих типах двигателей происходит в специальных лопаточных машинах — компрессорах.

Лопаточными машинами компрессоры называются потому, что рабочими элементами в них являются лопатки. Компрессор турбореактивного двигателя приводится во вращение газовой турбиной.

При сжатии воздуха температура его повышается на 100—200° С.

В сжатом и подогретом воздухе топливо хорошо испаряется, быстро и полностью сгорает.

На современных турбореактивных двигателях применяются два типа компрессоров: центробежные и осевые. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.

Степень сжатия

Главной величиной, характеризующей компрессор турбореактивного двигателя, является степень повышения давления воздуха в компрессоре, называемая еще степенью сжатия; обозначают ее греческой буквой “эпсилон” — ε.

Степень сжатия компрессора — это отношение давления воздуха на выходе из компрессора к давлению воздуха на входе в него:

Где Р₂ – давление на выходе компрессора, Р₁ – давление на входе компрессора.

Степень сжатии — величина безразмерная, она показывает, во сколько раз повышается давление воздуха в компрессоре по сравнению с давлением воздуха перед ним.

Если взять отношение давления воздуха за компрессором к давлению воздуха, окружающего двигатель, то получим степень сжатия двигателя:

Где Р₀ – давление атмосферного воздуха.

Чтобы представить себе разницу между этими двумя величинами, подсчитаем их для следующих условий: — скорость полета с₀ = 0; давление окружающего воздуха Р_О

= 1,033 кг/см²; давление перед компрессором Р₁ = 0,92 кг/см²; давление за компрессором Р₂ = 4,35 кг/см². Тогда:

Как видно, ε_ДВИГ меньше ε_КОМП.

Для современных ТРД величина степени сжатия компрессора лежит в пределах от 4,2 до 7,1 (иногда 8).

Степень сжатия двигателя зависит от скорости вращения колеса (ротора) компрессора, от высоты полета (от температуры окружающего воздуха) и от скорости полета.

С увеличением скорости вращения колеса компрессора степень сжатия компрессора увеличивается.

В осевом компрессоре с увеличением числа его оборотов окружная скорость движения лопаток растет. Вследствие этого увеличиваются силы, сжимающие воздух, и, следовательно, давление воздуха, выходящего из компрессора.

Так как давление воздуха на входе в компрессор остается постоянным (оно не зависит от скорости вращения колеса компрессора), то степень сжатия компрессора увеличивается.

В центробежном компрессоре с увеличением числа его оборотов растет окружная скорость колеса компрессора. Вследствие этого увеличиваются центробежные силы, сжимающие воздух, и, следовательно, давление воздуха, выходящего из компрессора. В результате степень сжатия компрессора увеличивается.

Вход воздуха в двигатель

Имея общее представление о работе турбореактивного двигателя и процессах, которые происходят в воздушно-газовом потоке, протекающей через двигатель, рассмотрим теперь более подробно работу отдельных элементов ТРД и процессы, происходящие в них.

Воздухоподводящие или входные каналы служат для подвода воздуха к компрессору с возможно меньшими потерями.

Входной канал является частью конструкции самолета или образуется обводами капотов двигателя и самого двигателя.

Изменение параметров воздуха во входном канале будет различно в зависимости от условий работы двигателя: на месте или в полете.

Поэтому рассмотрим отдельно эти два случая.

А. Двигатель работает на месте (скорость полета с₀ = 0)

При работе двигателя на месте компрессор засасывает воздух из окружающей атмосферы. Скорость воздушного потока при подходе к двигателю возрастает от нуля у невозмущенного воздуха впереди двигателя (сечение

0-0) до скорости с₁ на входе в компрессор (сечение 1-1, рис. 1).

Для различных турбореактивных двигателей величина скорости с₁лежит в пределах от 70 до 180 м/сек.

Как показывает опыт, температура и давление воздуха во входном канале падают.

Чтобы понять, почему это происходит, напишем уравнение энергии движущегося потока воздуха для сечений 0-0 и 1-1

Где k – показатель адиабаты, R – газовая постоянная, g – ускорение свободного падения.

Так как двигатель работает на месте (неподвижен), то скорость с₀ = 0.

В этом случае уравнение энергии будет:

Подставив в последнее уравнение численное значениеk, g, R, определим температуру Т₁_.. Она будет равна:

Из уравнения видно, что температура воздуха на входе в компрессорТ₁ должна быть ниже, чем температура окружающего воздуха Т₀. Для существующих ТРД это падение температуры составляет 8—10°. Разделив все члены этого уравнения на Т₀, получим:

Рис.1 Изменение параметров воздуха при работе двигателя на месте.

Заменим отношение температур отношением давлений (считая процесс адиабатическим) и определим давление воздуха на входе в компрессор:

Так как с₁ = 70-180 м/сек, то численная величина квадратной скобки будет меньше единицы. Следовательно, давление на входе в компрессор Р₁ будет меньше давления окружающего воздуха Р₀. Для выполненных ТРД падение давления во входном канале составляет 0,1-0,16 кг/см^г.

Основные сведения о давлении воздуха: объемное и динамическое сжатие

Поиск по вики-сайту о сжатом воздухе

Основная информация
Компрессоры

Подготовка воздуха
Владение
Современные подходы

Compressor Types Air compressors Basic Theory Compressed Air Wiki Displacement Compressed Air

Прежде чем вы узнаете о различных компрессорах и методах сжатия, сначала нам следует познакомить вас с двумя основными принципами сжатия газа. После этого мы сравним их и рассмотрим различные компрессоры в этих категориях.

Существует два общих принципа сжатия воздуха (или газа): сжатие возвратно-поступательным движением и динамическое сжатие. Первый включает, например, возвратно-поступательные (поршневые) компрессоры, орбитальные (спиральные) компрессорыи различные типы ротационных компрессоров (винтовые, зубчатые, лопастные).

При сжатии возвратно-поступательным движением воздух всасывается в одну или несколько камер сжатия, которые затем изолируются от входа. Постепенно объем каждой камеры уменьшается, и воздух внутри сжимается. Когда давление достигает расчетного коэффициента сжатия, открывается порт или клапан, и воздух выгружается в выпускную систему под действием постоянного уменьшения объема камеры сжатия.

При динамическом сжатии воздух вращается лопастями быстро вращающейся крыльчатки компрессора и разгоняется до высокой скорости. Затем газ выпускается через диффузор, где кинетическая энергия преобразуется в статическое давление. Большинство компрессоров с динамическим сжатием представляют собой турбокомпрессоры с осевой или радиальной схемой потока.

Велосипедный насос – простейший пример сжатия с возвратно-поступательным движением. Воздух всасывается в цилиндр и сжимается движущимся поршнем. Поршневые компрессоры используют тот же рабочий принцип. В них применяется поршень, движение которого вперед и назад осуществляется с помощью шатуна и вращающегося коленчатого вала.

Если для сжатия используется только одна сторона поршня, такой компрессор называется компрессором одностороннего действия. Если используются верхняя и нижняя стороны поршня, компрессор осуществляет двойное действие. Коэффициент давления представляет собой соотношение между абсолютными давлениями на входе и выходе.

Соответственно, машина, которая всасывает воздух при атмосферном давлении (1 бар (абс.)) и сжимает его до 7 бар избыточного давления, работает при коэффициенте давления (7 + 1)/1 = 8.

На двух графиках ниже показано соотношение давления и объема для теоретического компрессора и более реалистичная схема для поршневого компрессора (соответственно).

Рабочий объем – это объем цилиндра, в котором перемещается поршень на этапе всасывания. Объем камеры сжатия – это объем, расположенный под впускным и выпускным клапанами и над поршнем, который должен оставаться в верхней точке поворота поршня по механическим причинам.

Разница между рабочим объемом и объемом всасывания обусловлена расширением воздуха, оставшегося в объеме камеры сжатия перед началом всасывания. Практическая конструкция компрессора, например поршневого, приводит к разнице между теоретической схемой p/V и фактической схемой.

Клапаны никогда не являются полностью герметичными, и между поршневой юбкой и стенкой цилиндра всегда присутствует утечка определенной степени. Кроме того, клапаны не могут полностью открываться и закрываться без минимальной задержки. Это приводит к падению давления при прохождении газа через каналы. Из-за такой конструкции газ нагревается при входе в цилиндр.

В динамическом компрессоре повышение давления происходит во время протекания потока газа. Поток газа разгоняется до высокой скорости с помощью вращающихся лопастей на крыльчатке. Затем скорость газа преобразуется в статическое давление, когда он замедляется при расширении в диффузоре.

В зависимости от основного направления используемого потока газа эти компрессоры называются радиальными или осевыми. По сравнению с компрессорами объемного типа, небольшое изменение рабочего давления динамических компрессоров приводит к большому изменению расхода.

Скорость каждой крыльчатки имеет верхний и нижний предел расхода. Верхний предел означает, что скорость потока газа достигает скорости звука. Нижний предел означает, что противодавление становится больше, чем давление компрессора, что говорит о возникновении обратного потока внутри компрессора. Это, в свою очередь, приводит к пульсации, шуму и риску механического повреждения.

Теоретически, воздух или газ могут быть сжаты изоэнтропически (при постоянной энтропии) или изотермически (при постоянной температуре). Любой процесс может быть частью теоретически обратимого цикла. Если бы сжатый газ можно было использовать сразу после сжатия при его конечной температуре, процесс изоэнтропического сжатия имел бы определенные преимущества.

В действительности воздух или газ редко используются непосредственно после сжатия и перед применением их обычно охлаждают до температуры окружающей среды. Следовательно, предпочтительно использовать изотермический процесс сжатия, поскольку он требует меньше работы. Общий практический подход к выполнению процесса изотермического сжатия включает охлаждение газа во время сжатия. При эффективном рабочем давлении 7 бар изоэнтропическое сжатие теоретически требует энергии на 37% выше, чем изотермическое сжатие.

Практический метод снижения нагрева газа состоит в том, чтобы разделить сжатие на несколько ступеней. Газ охлаждают после каждой ступени перед сжатием до конечного давления. Это также увеличивает энергоэффективность, причем наилучший результат достигается, когда каждая ступень сжатия имеет одинаковый коэффициент давления. При увеличении количества ступеней сжатия весь процесс приближается к изотермическому сжатию. Тем не менее, существует экономический предел для количества ступеней, которые может использовать конструкция реальной установки.

Работа компрессора с изометрическим сжатием:

Работа компрессора с изоэнтропическим сжатием:

Эти соотношения показывают, что для изоэнтропического сжатия требуется больше работы, чем для изотермического сжатия.

При постоянной скорости вращения кривая давления/расхода для турбокомпрессоров существенно отличается от эквивалентной кривой для компрессора с возвратно-поступательным движением. Турбокомпрессор представляет собой машину с переменным расходом и переменной характеристикой давления. С другой стороны, компрессор объемного типа представляет собой машину с постоянным расходом и переменным давлением. Он обеспечивает более высокое отношение давления даже на низкой скорости. Турбокомпрессоры рассчитаны на большой расход воздуха.

Наверх

Другие статьи по этой теме

Как выбрать идеальный промышленный воздушный компрессор

30 June, 2022

При выборе воздушного компрессора необходимо учитывать множество факторов. В этой статье мы расскажем, как выбрать компрессор, который лучше всего соответствует вашим потребностям и нуждам.

Руководство по типам динамических компрессоров: центробежные и осевые

16 March, 2023

Когда вам требуется большая мощность, динамические компрессоры являются идеальным выбором. Они доступны как в осевом, так и в радиальном исполнении.

Что такое сжатый воздух?

4 August, 2022

Мы постоянно сталкиваемся со сжатым воздухом, но что это такое? Предлагаем вам войти в мир сжатого воздуха и познакомиться с основными принципами работы компрессоров.

Compressor Formulas: бесплатная памятка

Industrial Air

17 января 2023 г.

Райан Уолдрон

Компрессоры являются неотъемлемой частью многих промышленных процессов, и понимание связанных с ними формул имеет решающее значение для достижения оптимальной производительности. Ниже приведены некоторые важные формулы промышленных компрессоров, которые могут помочь вам повысить эффективность и производительность ваших компрессорных систем.

Формулы компрессора

1. Коэффициент сжатия Формула : Степень сжатия представляет собой отношение давления на входе к давлению на выходе компрессора. Коэффициент сжатия = P1/P2 . Где P1 — давление на входе, а P2 — давление на выходе.

2. Объемный расход Формула : Объемный расход – это количество воздуха (или газа), которое проходит через компрессор за заданный промежуток времени. Формула объемного расхода: Объемный расход = (Q x 60) / (T x 14,7) . Где Q — расход компрессора (CFM), T — время (минуты), а 14,7 — стандартное атмосферное давление.

3.Мощность Формула : Мощность – это скорость, с которой компрессор совершает работу. Формула мощности: Мощность = (Давление x Объем) / Время . Где давление — это давление компрессора (psi), объем — объемный расход компрессора (куб. фут/мин), а время — время работы компрессора (минуты).

4.Эффективность Формула : КПД – это мера того, насколько эффективно компрессор преобразует энергию в работу. Формула эффективности: Эффективность = (Выходная мощность / Входная мощность) x 100%

5. Удельная мощность компрессора : Удельная мощность — это мощность, потребляемая компрессором на единицу массового расхода. Формула удельной мощности: Удельная мощность = мощность / массовый расход

6. Адиабатический КПД компрессора: Адиабатический КПД – это мера того, насколько эффективно компрессор преобразует энергию в работу без потери тепла. Формула адиабатического КПД: 9((k-1)/k)) x 100% , где T1 — температура на входе, T2 — температура на выходе, а k — удельная теплоемкость газа.

Дополнительные полезные формулы

1. Преобразование киловатт в лошадиные силы : На одну лошадиную силу приходится 0,746 ватта. Умножьте мощность компрессора на это число, чтобы получить кВт. Для этого примера допустим, что у нас есть компрессор мощностью 25 л.с.

25 х 0,746 = 18,65

Таким образом, компрессор мощностью 25 л. с. имеет мощность 18 кВт

2. Галлоны (объем) = куб. фут/0,134

3. кубических футов = галлонов/7,48

4. Время безотказной работы насоса резервуара (в минутах) = объем (галлон) X (конечное давление – начальное давление/ ( 7,48 X атмосферное давление X производительность насоса (куб. футов в минуту))

Понимая и применяя эти формулы, вы можете оптимизировать производительность своих компрессорных систем, повысить эффективность и снизить затраты на электроэнергию.

Загрузите наш контрольный список технического обслуживания сжатого воздуха сегодня!

Изэнтропическое сжатие или расширение

Термодинамика — это раздел физики который имеет дело с энергией и работой системы. Термодинамика занимается только широкомасштабный ответ системы, которую мы можем наблюдать и измерять в опытах. В аэродинамике мы больше всего интересуется термодинамикой из-за той роли, которую она играет в конструкция двигателя и потоки с высокой скоростью.

На этом слайде мы выводим два важных уравнения, которые связывают давление, температура, и объем которое занимает газ при обратимом сжатии или расширении. Такой процесс происходит во время компрессия и силовые удары для двигатель внутреннего сгорания. Одни и те же уравнения описывают условия в компрессор и турбина из газотурбинный двигатель. Например, двигатель внутреннего сгорания. мы показываем компьютерный чертеж одного цилиндр Райт 1903 двигатель вверху слева. Движение серого поршня внутри синего цилиндр поворачивает красную часть коленчатый вал который превращает пропеллеры для создания тяги. При движении поршня в цилиндре объем топливно-воздушной газовой смеси внутри цилиндра меняется. Это изменение объема приводит к изменению давление и температура газа, которые определяют, насколько работа поршень может поставить.

При движении поршня будем считать, что нет нагревать переносится в цилиндр. Мы в дальнейшем будем пренебрегать любым трения между поршнем и цилиндром и считать, что нет потери энергии любого рода. (В реальности небольшие потери и мы учитывать потери с помощью «коэффициента эффективности», применяемого к результату получаем без потерь.) В результате сжатия и расширения обратимые процессы в которой энтропия системы остается постоянной. Мы можем использовать уравнения для энтропии чтобы связать потоковые переменные системы.

Начнем наш вывод с определения значения фактора, который мы нужно позже. Из определений коэффициенты удельной теплоемкости, удельная теплоемкость при постоянном давлении сП минус удельная теплоемкость при постоянном объеме cv равна газовая постоянная R:

ср — ср = R

и мы определяем отношение удельных теплоемкостей как число, которое мы позвонит «гамма»

гамма = cp/cv

Если мы разделим первое уравнение на cp и воспользуемся определением «гамма» мы получаем:

R / cp = 1 — (1 / гамма) = (гамма — 1) / гамма

Теперь воспользуемся уравнением, которое мы вывели для энтропия газа:

s2 — s1 = cp ln(T2 / T1) — R ln(p2 / p1)

где цифры 1 и 2 обозначают состояния в начале и в конце процесс сжатия, с – энтропия, T – температура, р — давление, а «ln» обозначает натуральный логарифм функция. Так как в цилиндр не передается теплота и нет других потерь, изменение энтропии равно нулю. Тогда уравнение становится:

cp ln(T2 / T1) = R ln(p2 / p1)

Мы разделим обе части на «cp» и возьмем экспоненциальную функцию обе стороны (это «отменяет» логарифмы). 9[(гамма — 1)/гамма]

В процессе сжатия по мере увеличения давления от p1 до p2, температура увеличивается от T1 до T2 согласно этому экспоненциальному закону уравнение. «Гамма» — это просто число, которое зависит от газа. Для воздуха, на стандартные условия, это 1,4. Значение (1 — 1/гамма) составляет около 0,286. Таким образом, если давление увеличилось вдвое, отношение температур равно 1,219. Ключевым моментом здесь является то, что у нас есть функция, которая связывает температуру изменение на изменение давления в процессе сжатия. 9(гамма)

Количество (v1 / v2) является соотношение объема в состоянии 1 и состоянии 2 и называется степенью сжатия .