Máy nén khí Động năng: Máy nén khí Ly tâm và Hướng trục

A centrifugal compressor is characterized by its radial discharge flow. Air is drawn into the center of a rotating impeller with radial blades. It is pushed out towards the perimeter of the impeller by centrifugal forces. The radial movement of the air results simultaneously in a pressure rise and a generation of kinetic energy. Before air is led to the center of the impeller of the next compressor stage, it passes through a diffuser and a volute. This is where kinetic energy is converted into pressure.

Each stage takes up a part of the overall pressure rise of the compressor unit. In industrial machinery, the maximum pressure ratio of a centrifugal compressor stage is often not more than 3. Higher pressure ratios reduce stage efficiency. Multi-stage applications allow the possibility of inter-cooling to reduce the power requirement. Multiple stages can be arranged in series on a single, low-speed shaft. This concept is often used in the oil and gas or process industry.

Since the pressure ratio per stage is low, a large number of stages and/or multiple compressor sets are used to achieve the desired pressure. For air compression applications, a high speed gearbox is integrated with the compressor stages to rotate the impellers on high speed pinions. The impeller can have either an open or closed design.

An axial compressor has axial flow, whereby the air or gas passes along the compressor shaft through rows of rotating and stationary blades. In this way, the velocity of air is gradually increased at the same time stationary blades convert the kinetic energy to pressure. A balancing drum is usually built into the compressor to counterbalance axial thrust.

Axial compressors are generally smaller and lighter than their equivalent centrifugal compressors and normally operate at higher speeds. They are used for constant and high volume flow rates at a relatively moderate pressure, for instance, in ventilation systems. Given their high rotational speed, they are ideally coupled to gas turbines for electricity generation and aircraft propulsion.

Một máy nén khí ly tâm được đặc trưng bởi dòng xả hướng tâm của nó. Không khí được hút vào trung tâm của một bánh công tác quay với các lưỡi xuyên tâm và được đẩy ra phía mặt bao ngoài của bánh công tác bằng lực ly tâm. Chuyển động xuyên tâm của không khí đồng thời dẫn đến tăng áp suất và tạo ra động năng. Trước khi không khí được dẫn đến trung tâm của bánh công tác trong giai đoạn nén tiếp theo, nó đi qua một bộ khuếch tán và một luồng trong đó động năng được chuyển thành áp suất.

Mỗi cấp nén chiếm một phần tăng áp chung của máy nén khí. Trong máy móc công nghiệp, tỷ lệ áp suất tối đa của cấp nén ly tâm thường không quá 3. Tỷ lệ áp suất cao hơn làm giảm hiệu suất của cấp nén. Các ứng dụng một cấp nén, áp suất thấp được sử dụng, trong các nhà máy xử lý nước thải. Các ứng dụng nhiều cấp nén yêu cầu phải có làm mát trung gian do vậy giảm công suất của máy. Nhiều cấp nén có thể được sắp xếp thành chuỗi trên một trục đơn, tốc độ thấp. Kiểu này thường được sử dụng trong ngành công nghiệp dầu - khí hoặc chế biến.

Tỷ số nén ở mỗi cấp nén thấp, nhưng kết hợp một số lượng lớn các cấp và/ hoặc nhiều bộ máy nén nối tiếp sẽ giúp đạt được áp suất đầu ra mong muốn. Đối với các ứng dụng nén khí, hộp số tốc độ cao được tích hợp với các cấp nén để xoay các cánh quạt trên các bánh răng tốc độ cao. Bánh công tác có thể có thiết kế mở hoặc đóng.

Thiết kế mở được sử dụng phổ biến nhất cho các ứng dụng khí nén tốc độ cao. Bánh công tác thường được làm bằng hợp kim thép không gỉ hoặc nhôm đặc biệt. Tốc độ trục cánh quạt rất cao so với các loại máy nén khí khác. Tốc độ phổ biến ở khoảng 15.000-100.000 vòng / phút. Điều này giải thích việc chạy trên trục máy nén hoặc bánh răng tốc độ cao diễn ra bằng cách sử dụng vòng bi dầu bôi trơn thay vì vòng bi lăn. Ngoài ra, vòng bi phim không khí hoặc vòng bi nam châm vĩnh cửu có thể được sử dụng hoàn toàn cho máy nén khí không dầu. Hai bánh nén được gắn ở mỗi đầu của cùng một trục để chống lại tải trọng trục gây ra bởi sự chênh lệch áp suất. Thông thường 2 hoặc 3 cấp nén với bộ làm mát trung gian sẽ được sử dụng cho các ứng dụng khí nén tiêu chuẩn.

In a modern configuration of the centrifugal air compressor, ultra-high speed electric motors are used to drive the impellers directly. This technology creates a compact compressor without a gearbox and associated oil-lubrication system, thereby making it a completely oil-free compressor design. Each centrifugal compressor must be sealed in a suitable manner to reduce leakage along the shaft where it passes through the compressor housing. Many types of seals are used and the most advanced can be found on high-speed compressors intended for high pressures. The most common types are labyrinth seals, ring seals or controlled gap seals, (usually graphite seals) and mechanical seals.

Trong một cấu hình hiện đại của máy nén khí ly tâm, động cơ điện tốc độ cực cao được sử dụng để truyền động trực tiếp cho các cánh quạt. Công nghệ này tạo ra một máy nén nhỏ gọn không có hộp số và hệ thống bôi trơn dầu kèm theo, do đó làm cho nó trở thành một thiết kế máy nén khí không dầu hoàn toàn. Mỗi máy nén khí ly tâm phải có các loại vòng chặn dầu/khí một cách phù hợp để giảm rò rỉ dọc theo trục nơi nó đi qua vỏ cụm nén. Nhiều loại vòng chặn được sử dụng và loại tiên tiến nhất có thể được tìm thấy trên máy nén khí tốc độ cao dành cho áp suất cao. Các loại phổ biến nhất là vòng chặn kiểu răng rãnh, chặn dạng vòng kim loại hoặc chặn có khoảng cách được kiểm soát, (thường là vòng chặn làm bằng than chì) và kẹp chì cơ khí

Một máy nén hướng trục có lưu lượng theo trục, theo đó khí nén hoặc khí đi dọc theo trục máy nén thông qua các hàng cánh quạt quay và cố định. Theo cách này, vận tốc của không khí được tăng dần cùng lúc đó các cánh quạt cố định chuyển đổi động năng thành áp suất. Một trống cân bằng thường được tích hợp vào máy nén để đối trọng lực đẩy dọc trục. Máy nén khí hướng trục thường nhỏ hơn và nhẹ hơn máy nén khí ly tâm tương đương và thường hoạt động ở tốc độ cao hơn. Chúng được sử dụng cho lưu lượng cao và không đổi tại áp suất tương đối vừa phải, ví dụ, trong các hệ thống thông gió. Với tốc độ quay cao, chúng được kết hợp lý tưởng với các tuabin khí để phát điện và động cơ máy bay.