miniatuur|Gasturbine met centrifugaalcompressor
Een centrifugaalcompressor is een type compressor waarbij een gas in richtingen loodrecht op de lengterichting van de as (radiaal) gecomprimeerd wordt. De stroomrichting van het gas is vanaf de as gezien naar buiten en naar binnen, het gas wordt per trap twee keer van richting veranderd. De compressor wordt ook wel radiale compressor genoemd.
Inleiding De centrifugaalcompressor en de axiale compressor behoren tot de dynamische compressoren, hetgeen wil zeggen dat ze hun werking ontlenen aan de omzetting van snelheid in druk. Een centrifugaalcompressor produceert continu een stroom van gecomprimeerd gas, zonder drukschommelingen. Voor het bereiken van een hoge drukverhouding zijn meerdere compressortrappen nodig. Voor een gegeven drukverhouding is het aantal trappen kleiner dan bij een axiale compressor, waardoor de centrifugaalcompressor wat eenvoudiger van bouw is. Centrifugaalcompressoren worden gebruikt in turboladers ("turbo's"), in kleine gasturbines, zoals de hulpturbine in een vliegtuig (Auxiliary power unit of APU), en in turboshaft vliegtuigmotoren. Verder in petrochemische bedrijven, en bij gaswinning en –transport, kortom overal waar gas gecomprimeerd en/of getransporteerd moet worden. miniatuur|Compressor met deellijn (split line compressor) miniatuur|Barrel compressor
Bouwwijze Naar de manier waarop het compressorhuis is vervaardigd onderscheidt men twee typen centrifugaalcompressoren. Als het huis uit een bovenste helft en een onderste helft bestaat spreekt men van een "compressor met deellijn" (Engels: split line compressor). Het binnenwerk van het huis (diffusoren en omkeerbochten) is ook horizontaal gedeeld. De onderste helft van elk deel wordt in groeven in het onderhuis geplaatst, de bovenste helft plaatst men in groeven in het bovenhuis, waar de delen vast aan het huis bevestigd worden. Nadat de rotor in het onderhuis geplaatst is plaatst men het bovenhuis, compleet met het halve binnenwerk, op het onderhuis. De twee delen worden op elkaar bevestigd met een rij bouten in de deelflens. Bij deze constructie zijn goede afdichtingen tussen het bovenhuis en het onderhuis nodig, vaak door middel van rubber pezen.
Als het compressorhuis niet horizontaal gedeeld is wordt het binnenwerk eerst buiten de compressor gebouwd, op dezelfde wijze als bij een splitlinecompressor. Ook hier is het binnenwerk horizontaal gedeeld. Het gehele binnenwerk, met de rotor, wordt axiaal in het barrelhuis geschoven en afgedicht met een of twee deksels aan de einden. Het compressorhuis is dan een dicht vat (Engels: barrel) en een dergelijke compressor heet een barrel compressor. Dit ontwerp is vanwege zijn mechanische sterkte geschikt voor de hoogste werkdrukken. Het huis is van hoogwaardig gesmeed staal, met een wanddikte tot 400 mm. De afdichting van de deksels kan eenvoudig met een rubberen O-ring gebeuren. Bij sommige ontwerpen worden geen bouten gebruikt om de deksels vast te zetten, maar zorgt een constructie met een stalen ring in een groef voor het opnemen van de krachten op de deksels.
miniatuur|De werkgebieden van verschillende compressoren
Vergelijking van compressoren De drie veel gebruikte compressoren, de zuigercompressor, de centrifugaalcompressor en de axiale compressor hebben elk hun eigen werkgebied. Bij de compressie van een gas geldt in het algemeen:
Voor een toestandsverandering van 1 naar 2 wordt dit:
De waarden van n variëren van 0 tot ∞ (oneindig).
Voor n = 0 (p · V0 = c) is er geen sprake van compressie, de druk blijft gelijk, het is een isobaar proces. Dit is niet praktisch voor een compressor.
Voor n = 1 (p · V = c) is er sprake van een isotherm proces, dit kan als er intensieve koeling wordt toegepast tijdens het compressieproces.
Voor 1 < n < k en voor n > k (p · Vn = c) is er sprake van een polytroop proces, dat is een compressieproces met uitwisseling van warmte met de omgeving.
Voor n = k (p · Vk = c) is er sprake van een adiabatisch proces, dat is een compressieproces zonder uitwisseling van warmte met de omgeving.
Voor n = ∞ is er sprake van een compressieproces van een niet-samendrukbaar medium, een isochoor proces. Dit is niet praktisch voor een compressor.
Zuigercompressoren werken in het gebied tussen n = 1 en n = k. Door de koeling van de cilinders(s) wordt er warmte aan het compressieproces onttrokken. Bij intensieve koeling kan zelfs een isotherm proces bereikt worden.
Centrifugaalcompressoren en axiale compressoren werken in het gebied tussen n = k en n = ∞. Door de hoge gassnelheden in de compressor wordt er extra warmte aan het compressieproces toegevoerd. miniatuur|Diffusor en straalbuis
Het diffusieproces Het omzetten van snelheid in druk gebeurt in een diffusor, dat is een divergerend (= uitlopend) kanaal. Het principe van de diffusor berust op de wet van Bernoulli die stelt dat:
Hierin is:
p = absolute druk [Pa]
ρ = dichtheid medium [kg/m³]
c = absolute snelheid [m/s]
Eenvoudig gezegd komt deze wet erop neer dat de som van statische druk en snelheidsenergie aan beide kanten van de diffusor gelijk is. In een diffusor neemt door de vergroting van de dwarsdoorsnede in de stroomrichting de absolute snelheid van het medium af. Er gaat dus kinetische energie verloren. Veronderstelt men even de dichtheid constant, dan moet volgens de wet van Bernoulli de druk (potentiële energie) toenemen, dus .
Een diffusor kan men vergelijken met een omgekeerde straalbuis, maar het proces blijkt bij nader onderzoek toch belangrijke verschillen te vertonen met dat van de straalbuis. Het belangrijkste verschil is de neiging van het stromende medium om als het ware "los te laten" van de diffusorwanden, waarbij wervelingen ontstaan die het rendement van het proces verminderen. Men moet daarbij bedenken dat het drukverschil bij een diffusor de neiging heeft om de stroming tegen te gaan, terwijl dit drukverschil bij een straalbuis juist de stroming bevordert.
miniatuur|Benamingen van onderdelen compressortrap
De compressortrap De centrifugaalcompressor bestaat uit een roterend gedeelte, de rotor, en een stilstaand gedeelte, het compressorhuis met daarin het binnenwerk (het stationaire gedeelte of stator). De rotor bestaat uit een as, met daarop een of meer waaiers, ook wel impeller of wiel genoemd. Op de waaier bevinden zich radiale schoepen met een scherp profiel. Als een meertraps centrifugaalcompressor vijf trappen heeft, dan zijn er vijf wielen met schoepen en vijf statordelen. De statordelen vormen een diffusor na elke waaier. Simpel gezegd dient de waaier om het gas snelheid te geven en de diffusor in het huis zet de snelheid gedeeltelijk om in druk. In werkelijkheid zal een deel van de drukopbouw ook in de waaier kunnen plaatsvinden.
De kinetische energie van het gas wordt omgezet in drukenergie. Tevens stijgt de luchttemperatuur in dit compressieproces (er is geen koeling). Zo wordt het gas terwijl het door de compressor stroomt in elke trap in druk verhoogd, met een drukverhouding van 1,5 tot 3 per trap. Een compressor met vier trappen en een drukverhouding per trap van 1,5 levert een totale drukverhouding van 1,54 = 5.
Sommige centrifugaalcompressoren hebben vóór de eerste trap een krans al of niet verstelbare inlaatleidschoepen, die het gas in axiale zin geleiden zodat het onder de juiste aanstroomhoek naar de eerste waaier stroomt. Een compressortrap bevat een waaier met draaiende schoepen, die het gas meenemen en het een hoge snelheid geven. Afhankelijk van de vorm van de waaier kan daarbij de druk gelijk blijven, of hij kan iets toenemen. De meeste drukopbouw vindt echter plaats in de diffusor.
Inwendige afdichtingen Het door de compressor gecomprimeerde gas mag niet terugstromen om de waaier heen. Als dat wel gebeurt wordt een deel van de compressiearbeid omgezet in verlieswarmte. Er zijn daarom twee afdichtingen ("seals"): rond het oog van de waaier ("eye seal") en rond de as aan de achterkant van de waaier ("shaft seal"). Als er drukopbouw is in de waaier moet het eye seal terugstroming van de waaiertip naar het waaieroog voorkomen. Is er geen drukopbouw in de waaier, dan kan dit seal vervallen. Het shaft seal voorkomt terugstroming van de inlaat van de volgende trap naar de waaiertip. Over dit seal zal altijd drukverschil staan en het is daarom altijd aanwezig.
Ook de aandrijfas van de compressor moet een afdichting hebben tegen gaslekkage naar buiten. Hiervoor zijn allerlei vormen van "seals" in gebruik. Er zijn "natte" seals die werken met een oliefilm, en "droge" seals met roterende afdichtringen met een nauwe speling. Vooral bij het comprimeren van toxische gassen is de asafdichting van groot belang.
Meertraps compressor Bij een meertraps compressor moet het gas na het verlaten van de diffusor geleid worden naar het oog van de waaier van de volgende trap. Daartoe heeft men en het compressorhuis een omkeerkanaal en een retourkanaal gebouwd. In het omkeerkanaal verandert het gas 180° van richting en in het retourkanaal stroomt het gas naar de volgende trap. Er wordt voor gezorgd dat het omkeerkanaal en het retourkanaal veel wijder zijn dan de diffusor, teneinde drukverlies door straalbuiswerking te voorkomen.
De waaier wordt op een as gemonteerd, samen met de andere waaiers bij een meertraps compressor. Ter plaatse van het oog komt een afdichtingsring die terugstroming van het gas van de waaiertip naar het oog voorkomt, en aan de achterkant van de waaier komt een afdichting die terugstroming van het gas vanaf de volgende trap voorkomt. Deze afdichtingen heten in het Engels “eye seal” en “shaft seal”.
De compressoruitlaat Na het passeren van de laatste trap stroomt het gas naar de persleiding. Eerst moet echter het gas over de volle omtrek van de compressor verzameld worden, om vervolgens naar de persleiding te kunnen stromen. Het verzamelen van het gas gebeurt in een slakkenhuis (Engels: collector), een huis met een vorm die op elke plaats het gas uit de laatste diffusor verzamelt en naar de persleiding brengt. De collector is soms zichtbaar aan de buitenkant van het huis, soms bevindt hij zich in het huis. miniatuur|Vorm van de waaier
Vorm van de waaier De waaier bestaat uit een naaf, tevens de achterwand van de waaier, waarop radiale schoepen gelast zijn. Bij sommige uitvoeringen zijn de naaf en de schoepen uit één blok staal gefreesd. De schoepen kunnen worden afgedekt met een deksel, in dat geval spreekt men van een gesloten waaier. Als er geen deksel is noemt men de waaier open. De waaier kan gebouwd worden met de achterwand en het deksel parallel, of met een zekere tapsheid. Dit heeft invloed op de drukopbouw in de waaier. De figuur toont drie waaiervormen:
Naaf en deksel met parallelle wanden. Dit geeft een aanzienlijke drukopbouw in de waaier, omdat het kanaal tussen de schoepen sterk divergerend is. Met een schuin deksel. Hier is de drukopbouw in de waaier minder, omdat het kanaal tussen de schoepen minder sterk divergerend is. Met een zeer schuin deksel. Indien het oppervlak van de dwarsdoorsnede van het kanaal tussen de schoepen bij het oog gelijk is aan dat van de tip is er geen drukopbopuw in de waaier, omdat het kanaal tussen de schoepen niet divergerend is. Men kan in het ontwerp van de compressor hiervoor kiezen omdat de afdichting van het oog van de waaier dan geen rol meer speelt (gelijke druk over deze afdichting).
miniatuur|Werking van een waaier
Werking van de waaier