+86-18717807449
-
-
-
WhatsApp
Центрифуга | Анализ формы и конструктивных характеристик диффузора центробежного компрессора
2026-01-16
Центробежные компрессоры — это компрессоры турбинного типа, широко используемые в нефтехимической, газотранспортной и холодильной промышленности. Их основная функция заключается в использовании высокоскоростного вращающегося рабочего колеса для совершения работы над газом и диффузора для преобразования кинетической энергии в энергию давления. Диффузор, расположенный на выходе рабочего колеса, представляет собой кольцевой канал, образованный передней и задней перегородками. Его внутренняя структура определяет эффективность замедления воздушного потока и восстановления давления. В зависимости от конструкции кольцевого канала диффузоры можно классифицировать на три типа: безлопастные диффузоры, лопастные диффузоры и прямостенные диффузоры. Каждый тип имеет свои характеристики, и соответствующий тип должен быть выбран в зависимости от конкретных условий эксплуатации в инженерной практике. В данной статье, на основе существующей литературы, систематизируются и дополняются сведения об этих типах, обсуждаются их структурные характеристики, принципы работы, преимущества и недостатки, с целью предоставления теоретической поддержки для проектирования и оптимизации центробежных компрессоров.
Принцип работы диффузора: функция и принцип действия.
Диффузор является важнейшим компонентом статора центробежного компрессора. Его основная функция заключается в замедлении высокоскоростного газа (обычно обладающего высокой кинетической энергией) на выходе из рабочего колеса и эффективном преобразовании этой кинетической энергии в статическое давление, тем самым увеличивая общее давление газа. Во время работы газ, выходящий из рабочего колеса с высокой скоростью (до нескольких сотен метров в секунду), поступает в кольцевой канал диффузора, и по мере постепенного расширения поперечного сечения канала скорость газа уменьшается, и, согласно принципу Бернулли , давление соответственно увеличивается. Этот процесс помогает снизить потери энергии и повысить изоэнтропийный КПД компрессора.
В многоступенчатых центробежных компрессорах диффузоры обычно комбинируются с изгибами и возвратными каналами, образуя полные межступенчатые каналы. Диффузор первой ступени соединяется с камерой всасывания, а заключительная ступень ведет к спиральному корпусу. При проектировании необходимо учитывать такие факторы, как равномерность газового потока, отрыв пограничного слоя и вторичный поток, чтобы предотвратить снижение эффективности. Литературные данные указывают на то, что эффективность диффузора напрямую влияет на общую производительность компрессора; например, в расчетных условиях хорошо спроектированный диффузор может повысить эффективность преобразования кинетической энергии до более чем 80%.
Классификация и структурные характеристики диффузоров
В зависимости от их конструктивной формы внутри кольцевого канала, диффузоры можно разделить на три основных типа: безлопастные диффузоры, лопастные диффузоры и диффузоры с прямыми стенками. Их конструктивные характеристики, преимущества, недостатки и области применения описаны ниже.
1. Безлопастной диффузор
Безлопастной диффузор представляет собой простейшую форму, обычно состоящую из двух параллельных гладких стенок, образующих кольцевой канал одинаковой ширины (как показано на рисунке 2-14). Его конструкция не содержит направляющих лопаток, что позволяет газу свободно течь внутри канала, при этом угол направления α остается практически постоянным.
Конструктивные особенности : ширина канала фиксирована (b3), а соотношение диаметров (D4/D2) относительно велико для обеспечения достаточного пространства для замедления. Поверхность стенки гладкая для уменьшения потерь на трение.
Преимущества : Простая конструкция и низкая себестоимость производства; ровная кривая производительности, широкий стабильный диапазон рабочих режимов, а также способность адаптироваться к изменениям расхода без риска остановки.
Недостатки : Больший диаметр приводит к увеличению габаритов; потери на поток газа возрастают (в основном, потери на трение и диффузию), что приводит к снижению эффективности. В настоящее время он редко используется в инженерных приложениях, в основном в ситуациях, когда требования к эффективности невысоки, например, в некоторых компрессорах низкого давления.
Что касается параметров конструкции, то ширину b3 и отношение диаметров D4/D2 безлопастного диффузора необходимо оптимизировать путем расчетов для достижения баланса между стабильностью потока и эффективностью преобразования энергии.
2. Лопастной диффузор
Лопастной диффузор образуется путем равномерного расположения определенного количества лопастей по окружности внутри параллельной поверхности стенки, по аналогии с безлопастным диффузором (как показано на рисунке 2-15). Газ должен течь вдоль направления лопастей, тем самым улучшая траекторию потока.
Конструктивные особенности : количество лопаток обычно составляет 10-30, расположенных радиально или назад; канал постепенно расширяется, а угол направления газа ограничивается лопатками (как показано пунктирной линией на рисунке 2-15, что отличается от безлопастного диффузора).
Преимущества : Хорошие условия потока, низкие потери и высокая эффективность; в расчетных условиях он на 3-5% эффективнее безлопастных диффузоров; широко используется в технике, например, в нефтехимических компрессорах, благодаря высокой эффективности преобразования энергии.
Недостатки : При снижении расхода лопатки подвержены срыву потока, что может вызвать помпажу компрессора ; это требует контроля рабочих условий во время эксплуатации, чтобы избежать отклонения от проектных параметров.
В настоящее время наиболее распространенным типом являются лопаточные диффузоры, и при их проектировании необходимо учитывать согласование угла входа лопатки и угла выхода газа для минимизации ударных потерь.
3. Диффузор с прямыми стенками
Диффузор с прямыми стенками представляет собой, по сути, модифицированный лопастной диффузор с добавленным каналом с прямыми стенками на выходе из лопасти (как показано на рисунке 2-16), отсюда и его название. Его канал для воздушного потока практически прямой.
Конструктивные особенности : передняя часть представляет собой лопаточную зону, а задняя часть – прямостенный кольцевой канал; весь канал имеет малый угол расширения, обеспечивающий равномерный поток.
Преимущества : равномерное распределение скорости и давления газа, меньшая подверженность отрыву пограничного слоя или вторичным вихрям; высокая эффективность в расчетных условиях, часто используется в приложениях, требующих высокой стабильности.
Недостатки : низкая адаптивность; при отклонении от проектных условий эксплуатации возможны ударные потери на входе; сложная конструкция и высокая сложность изготовления приводят к высоким затратам и затрудняют широкое распространение.
Диффузоры с прямыми стенками подходят для компрессоров с малым расходом и высоким коэффициентом сжатия, например, для некоторых видов аэрокосмического или прецизионного промышленного оборудования .
Применение в инженерных решениях и оптимизация
При проектировании центробежных компрессоров выбор диффузоров требует всестороннего учета свойств газа, расхода и степени сжатия. Например, для систем с высоким расходом безлопастные диффузоры обеспечивают более широкий диапазон стабильности; в то время как в приложениях, требующих высокой эффективности, лопаточные диффузоры превосходят их. В современных проектах часто используются CFD-моделирование (вычислительная гидродинамика) для оптимизации формы лопаток и размеров каналов с целью снижения потерь. В литературе показано, что диффузоры в сочетании с внутримашинным охлаждением могут еще больше повысить производительность. Кроме того, контроль помпажа является критически важной проблемой, которую можно смягчить с помощью диффузоров с изменяемой геометрией или противопомпажных клапанов.
Три типа диффузоров центробежных компрессоров имеют свои преимущества и недостатки: безлопастные диффузоры ориентированы на простоту и стабильность, лопаточные диффузоры — на эффективность, а диффузоры с прямыми стенками — на равномерный поток. В инженерной практике наиболее широко используются лопаточные диффузоры, но необходимо учитывать риск помпажа. В будущем, благодаря использованию передовых материалов и численной оптимизации, характеристики диффузоров будут дополнительно улучшены, что повысит эффективность и надежность центробежных компрессоров.