Kompresor
Kompresor. Turbokompresor beroperasi dengan kompresi kontinu dari gas yang mengalir melalui perangkat tersebut. Karena terjadi peningkatan tekanan dan kerapatan yang signifikan, maka juga terjadi peningkatan suhu yang cukup besar. Kompresor aliran radial (atau sentrifugal) pada dasarnya adalah pompa sentrifugal yang menggunakan gas (daripada cairan) sebagai fluida kerja. Biasanya, mereka adalah turbomesin dengan peningkatan tekanan tinggi, laju aliran rendah, dan secara aksial padat. Sebuah foto rotor kompresor sentrifugal ditampilkan dalam Gambar 12.33.
Jumlah kompresi biasanya dinyatakan dalam bentuk rasio tekanan total, PR, di mana tekanan adalah absolut. Dengan demikian, kompresor aliran radial dengan PR = 3.0 dapat mengompresi udara atmosfer standar dari 14.7 psia menjadi 3.0 x 14.7 = 44.1 psia.
Rasio tekanan yang lebih tinggi dapat diperoleh dengan menggunakan perangkat multi-tahap di mana aliran dari outlet tahap sebelumnya menuju inlet tahap berikutnya. Jika setiap tahap memiliki rasio tekanan yang sama, PR, maka rasio tekanan keseluruhan setelah n tahap adalah PR^n. Dengan demikian, seperti yang ditunjukkan oleh gambar di margin, sebuah kompresor empat tahap dengan PR tahap individu 2.0 dapat mengompresi udara standar dari p = 14.7 psia menjadi p = 24 x 14.7 = 235 psia. Kompresi adiabatik (tanpa perpindahan panas) dari gas menyebabkan peningkatan suhu dan membutuhkan lebih banyak kerja daripada kompresi isotermal (suhu konstan) dari gas. Sebuah pendingin antartahap (misalnya, penukar panas interkoler) seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 12.34 dapat digunakan untuk mengurangi suhu gas terkompresi dan dengan demikian kerja yang diperlukan.
Relatif terhadap pompa air sentrifugal, kompresor radial dari ukuran yang sebanding berputar pada kecepatan yang jauh lebih tinggi. Tidak jarang kecepatan keluar bilah rotor dan kecepatan aliran absolut yang meninggalkan impeler lebih besar dari kecepatan suara. Bahwa kecepatan besar seperti itu diperlukan untuk kompresor dapat dilihat dengan mencatat bahwa kenaikan tekanan besar yang dirancang untuk kompresor terkait dengan perbedaan beberapa kecepatan kuadrat (lihat Persamaan 12.142).
Kompresor aliran aksial adalah konfigurasi lain yang banyak digunakan. Jenis turbomakina ini memiliki kenaikan tekanan yang lebih rendah per tahap dan laju aliran yang lebih tinggi, dan lebih kompak secara radial dibandingkan dengan kompresor sentrifugal. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 12.35, kompresor aliran aksial biasanya terdiri dari beberapa tahap, dengan setiap tahap mengandung sepasang baris rotor/stator. Untuk kompresor 11 tahap, rasio kompresi PR = 1.2 per tahap memberikan rasio tekanan keseluruhan p02/p01 = 1.211 = 7.4.
saat gas dikompres dan kerapatannya meningkat, diperlukan luas penampang lintang anulus yang lebih kecil dan ukuran saluran aliran berkurang dari masukan ke keluaran kompresor. Mesin pesawat jet tipikal menggunakan kompresor aliran aksial sebagai salah satu komponen utamanya (lihat Gambar 12.36 dan Ref. 212).
Kompresor aliran aksial dapat mencakup seperangkat sudu pandu masuk di hulu baris rotor pertama. Sodu pandu ini mengoptimalkan ukuran kecepatan relatif ke baris rotor pertama dengan mengalirkan aliran menjauh dari arah aksial. Bilah rotor mendorong gas ke arah pergerakan bilah dan ke belakang, menambah energi (seperti pada pompa aliran aksial) dan memindahkan gas melalui kompresor. Baris bilah stator bertindak sebagai difusor, membelokkan fluida kembali ke arah aksial dan meningkatkan tekanan statis. Bilah stator tidak dapat menambah energi ke fluida karena mereka diam. Distribusi tekanan, kecepatan, dan entalpi tipikal sepanjang arah aksial ditunjukkan dalam Gambar 12.35.
Reaksi tahap kompresor sama dengan rasio kenaikan entalpi statis atau suhu yang dicapai melintasi rotor terhadap kenaikan entalpi atau suhu melintasi tahap. Sebagian besar kompresor modern melibatkan 50% atau lebih reaksi.
Bilah-bilah dalam kompresor aliran aksial adalah profil pesawat yang dirancang secara hati-hati untuk menghasilkan gaya angkat dan gaya drag yang sesuai pada gas yang mengalir. Seperti halnya dengan sayap pesawat, bilah kompresor dapat mengalami stall. Ketika laju aliran dikurangi dari jumlah desainnya, segitiga kecepatan di pintu masuk baris rotor menunjukkan bahwa aliran relatif bertemu tepi depan bilah pada sudut insiden yang lebih besar dari nilai desain. Ketika sudut insiden menjadi terlalu besar, stall bilah dapat terjadi dan hasilnya adalah surge atau stall kompresor - kondisi aliran yang tidak stabil yang dapat menyebabkan getaran berlebihan, kebisingan, kinerja buruk, dan kerusakan mungkin pada mesin. Batas laju aliran bawah operasi kompresor terkait dengan dimulainya ketidakstabilan ini.
Fenomena aliran kompresibel lain yang penting seperti variasi kerucut Mach, gelombang kejut, dan aliran tercekik sering terjadi dalam turbomachine aliran kompresibel. Mereka harus dirancang dengan hati-hati. Fenomena ini sangat sensitif terhadap perubahan atau variasi geometri yang sangat kecil pun. Kekuatan kejut dijaga rendah untuk meminimalkan kerugian kejut, dan aliran tercekik membatasi batas laju aliran atas dari operasi mesin.
Data kinerja eksperimental untuk kompresor disistematisasi dengan parameter yang dipicu oleh analisis dimensional. Seperti yang disebutkan sebelumnya, rasio tekanan total, p02/p01 , digunakan daripada koefisien kenaikan head yang terkait dengan pompa, blower, dan kipas.
Efisiensi isentropik atau politropik digunakan untuk menggambarkan kinerja kompresor. Penjelasan rinci tentang efisiensi ini berada di luar cakupan teks ini. Mereka yang ingin mempelajari lebih lanjut tentang parameter ini sebaiknya mempelajari salah satu dari beberapa buku yang tersedia tentang turbomachine. Pada dasarnya, setiap efisiensi kompresor melibatkan rasio kerja ideal terhadap kerja aktual yang diperlukan untuk mencapai kompresi. Efisiensi isentropik melibatkan rasio kerja ideal yang diperlukan dengan proses kompresi adiabatik dan bebas gesekan (tanpa kerugian) untuk kerja aktual yang diperlukan untuk mencapai kenaikan tekanan total yang sama. Efisiensi politropik melibatkan rasio kerja ideal yang diperlukan untuk mencapai keadaan akhir aktual dari kompresi dengan proses politropik dan bebas gesekan antara keadaan stagnasi awal dan akhir aktual di sepanjang kompresor serta kerja aktual yang terlibat di antara keadaan yang sama.
Parameter aliran yang umum digunakan untuk kompresor didasarkan pada pengelompokan tanpa dimensi berikut dari analisis dimensional.
di mana R adalah konstanta gas, m adalah laju alir massa, k adalah rasio panas spesifik, T01 adalah suhu stagnasi di inlet kompresor, D adalah panjang karakteristik, dan p01 adalah tekanan stagnasi di inlet kompresor.
Untuk memperhitungkan variasi kondisi uji, strategi berikut diterapkan. Kita menetapkan
di mana subskrip "test" mengacu pada kondisi uji tertentu dan "std" mengacu pada kondisi standar atmosfer (p0 = 14.7 psia, T0 = 518.7 °R). Ketika kita mempertimbangkan sebuah kompresor yang beroperasi pada sebuah fluida kerja tertentu (sehingga R, k, dan D adalah konstan), persamaan di atas menyederhanakan menjadi
Pada dasarnya, mstd adalah laju aliran massa uji kompresor yang "dikoreksi" menjadi kondisi masukan standar atmosfer. Laju aliran massa kompresor yang dikoreksi, mstd, digunakan sebagai pengganti koefisien aliran. Seringkali, mstd dibagi oleh A, luas frontal dari jalur aliran kompresor.
Untuk pompa, blower, dan kipas, kecepatan rotor diperhitungkan dalam koefisien aliran, tetapi tidak dalam laju aliran massa yang dikoreksi seperti yang diperoleh di atas. Oleh karena itu, untuk kompresor, kecepatan rotor perlu diperhitungkan dengan kelompok tambahan. Kelompok tak berdimensi ini adalah:
Untuk kompresor yang sama yang beroperasi pada gas yang sama, kita menghilangkan D, k, dan R, dan seperti halnya dengan laju aliran massa yang dikoreksi, kita mendapatkan kecepatan yang dikoreksi, Nstd , di mana:
