Was ist die ideale Einlassrohrlänge für Radialkompressoren?

Mar 20, 2024

Von Christopher Braman und Tim Allison, 15. August 2022

Die Strömungsverteilung am Kompressoreinlassflansch ist sowohl für die Maschinenleistung als auch für die genaue Messung der Einlassbedingungen von entscheidender Bedeutung. Eine radial gleichmäßige Strömungsverteilung wird bevorzugt, um die aerodynamischen Effekte am Kompressoreinlass zu minimieren.

Ungleichmäßige Geschwindigkeits- oder Druckschwankungen, auch Verzerrungen genannt, erhöhen die aerodynamischen Verluste an der Schaufelvorderkante und können zu einem instabilen Kompressorbetrieb führen. Glücklicherweise sind Schwankungen selbstkorrigierend, so dass bei ausreichender gerader Rohrlänge eine gleichmäßige Strömung erreicht werden kann.

Die Länge eines geraden Rohrs hängt jedoch von der Größe der Geschwindigkeits- und Druckschwankungen ab. Bei Kompressoren ist eine lange gerade Rohrlänge am Einlass aufgrund von Platzbeschränkungen und Prozessleitungen, die normalerweise Ventile, Winkelstücke und Rohrerweiterungen enthalten, nicht immer möglich. Das Hauptanliegen besteht darin, die Länge des geraden Rohrs zu ermitteln, die erforderlich ist, um Störungen der Einlassströmung zu minimieren.

Dieser Artikel fasst praktische Richtlinien für Rohrleitungskonfigurationen zusammen, die sich nicht negativ auf die Leistung des Kompressors auswirken, wobei anerkannt wird, dass die Rohrleitungen für eine wirtschaftliche Anlagenkonstruktion minimiert werden müssen. Es stellt einen grundlegenden Ansatz zur Analyse von Rohrleitungskonfigurationen dar.

Als Ausgangspunkt kann der Performance Test Code (PTC) der American Society of Mechanical Engineers (ASME) für Kompressoren und Auspuffanlagen verwendet werden, um die Länge des geraden Rohrs vor dem Kompressoreinlass zu bestimmen, um für Testmessungen einen gleichmäßigen Durchfluss zu gewährleisten.

Der PTC [1] erfordert ein gerades Rohr mit mindestens drei Durchmessern zwischen einem Krümmer und dem Kompressoreinlass und längere Längen bis zu 10 oder mehr Durchmessern für Rohrleitungen mit einem Durchmesser von weniger als 24 Zoll, axialen Einlässen oder anderen vorgelagerten Störungen. Eine zweite Empfehlung, die Teil der Praxis der Elliott Group ist, lautet: Wenn der Geschwindigkeitsdruck (dynamischer Druck, q), der in den Kompressoreinlass eintritt, mehr als ein Prozent des statischen Drucks (p1) beträgt, muss am Krümmerausgang ein Strömungsausgleicher verwendet werden .

Das Verhältnis von Geschwindigkeitsdruck zu statischem Druck wird mit der folgenden Gleichung berechnet. Da die Auswirkung einer Änderung von Z gering ist, wird sie normalerweise ignoriert.

Elliotts umfassende Erfahrung mit Werkstests bestätigt, dass die ASME-Anforderungen für gerade Leitungen und der Grenzwert für das Verhältnis von Geschwindigkeit und statischem Druck für Testrohranordnungen angemessen sind. Da das Geschwindigkeits-Statik-Druck-Verhältnis in der Praxis viel niedriger als 0,01 sein kann, wurden die Anforderungen an gerade Rohre des PTC geändert, wie in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1. Zusammenhang zwischen dem Verhältnis von Geschwindigkeit und statischem Druck und der Empfehlung für die Länge der geraden Einlassleitung

Gerade Länge

0,005

Indem wir die oben genannten Werte als Benchmarks verwenden und die q/p1-Gleichung lösen, können wir die Durchmesser der geraden Rohre vor dem Kompressor im Vergleich zur Einlassgeschwindigkeit für verschiedene Molekulargewichte grafisch darstellen (Abbildung 1).

Da die meisten Kompressoren einen Einlasstemperaturbereich von 0 °F bis 100 °F haben, basiert die Kurve auf 50 °F. In diesem Bereich ist der eingebaute Fehler gering. Wenn die Einlasstemperatur jedoch erheblich abweicht, kann die Länge des geraden Rohrs anhand von Abbildung 1 ermittelt werden, indem die tatsächliche Einlassströmungsgeschwindigkeit mithilfe der folgenden Gleichung für ideale Gase auf 50 °F korrigiert wird.

Der bisher beschriebene Prozess liefert Hinweise zu einem grundlegenden Ausgangspunkt für die Anzahl der geraden Rohrdurchmesser, die vor einem Kompressoreinlass benötigt werden.

Diese Grundzahl wird mit Korrekturfaktoren basierend auf den Komponenten unmittelbar vor dem Kompressor modifiziert. Zunächst müssen einige gängige Rohrleitungsanordnungen und Korrekturfaktoren identifiziert werden.

Bei Kompressoren ist es üblich, dass dem Einlass ein gerader Rohrstrang hinter einem Rohrkrümmer mit großem Radius vorangeht. Der Winkel kann so ausgerichtet werden, dass das in den Winkel mündende Rohr parallel oder senkrecht zum Kompressorrotor verläuft, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Wenn das vorgeschaltete Rohr parallel zum Kompressorrotor verläuft, gilt diese Anordnung als die am wenigsten störende Störung für den Einlassstrom und der Korrekturfaktor beträgt 1.

Da das stromaufwärts gelegene Rohr senkrecht zum Kompressorrotor verläuft, ist das in den Kompressor eintretende Gasvolumen auf der Seite größer, die der Richtung entgegengesetzt ist, aus der sich das Rohr nähert.

Mit anderen Worten: Es kommt zu einer Variation der axialen Strömung über den Rohrdurchmesser. Daher ist es schwieriger als im Basisfall, eine gleichmäßige Gasverteilung zum Laufrad zu erreichen, und die empfohlene Rohrlänge sollte mit einem Korrekturfaktor von 1,5 multipliziert werden.

Im Hinblick auf die Strömungsverzerrung führt der einzelne Krümmer zum Aufbau eines gegenläufig rotierenden Wirbelpaars, auch Dean-Vortices genannt, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Eine weitere übliche Anordnung sind zwei Rohrkrümmer unmittelbar vor dem Einlassrohr, wie in Abbildung 4 dargestellt. Auch hier gibt es zwei Variationen dieser Anordnung, bei denen das Rohr (vor den Rohrkrümmern) parallel oder senkrecht zum Kompressorrotor ausgerichtet ist.

Wenn das Gas parallel zum Verdichterrotor strömt, verlässt es das zweite Kniestück mit einem Wirbel oder einer rotierenden Komponente, zusätzlich zu der normalen Geschwindigkeitsverzerrung, die mit einem Kniestück einhergeht.

Normal zum Rotor erzeugt diese Anordnung einen gewissen Wirbel, aber auch die oben beschriebene ungleichmäßige Strömungsverteilung.

Aus diesen Gründen betragen die vorgeschlagenen Korrekturfaktoren für diese beiden Anordnungen 1,75 bzw. 2. Um den Unterschied in der Strömungsverzerrung zu veranschaulichen, zeigt Abbildung 5 die resultierenden Wirbel stromabwärts von zwei Bögen.

Verdichter mit axialen Einlässen, typischerweise einstufige Kompressoren mit fliegenden Rotoren, reagieren empfindlicher auf Strömungsabweichungen vor dem Kompressor, da sie normalerweise keine Einlassleitschaufeln haben. Aus diesem Grund sollte bei einem Kompressor mit axialem Einlass ein Korrekturfaktor von 1,25 angewendet werden.

Wenn ein Kompressor mit axialem Einlass ein oder zwei Krümmer vor dem Einlass hat, würden die Faktoren für parallele Ebenenanordnungen (Abbildung 4) verwendet. Tabelle 2 listet diese Korrekturfaktoren sowie Korrekturfaktoren für andere gängige Vereinbarungen auf.

Um zu quantifizieren, wie sich unterschiedliche vorgeschaltete Rohrleitungskomponenten, wie z. B. Ventile, auf die Anforderungen an die gerade Leitung auswirken, können wir uns die im PTC dargelegten Rohrleitungsstandards für Leistungstests und die Anforderungen für eine gleichmäßige Durchflussverteilung (Geschwindigkeitsprofil) für Durchflussmesselemente ansehen, veröffentlicht von sowohl die ASME als auch die American Gas Association (AGA).

Ein Geschwindigkeitsprofil mit minimaler Verzerrung ist eine entscheidende Anforderung für ein Durchflussmesselement wie eine Blende oder eine Durchflussdüse. Gleichmäßige Geschwindigkeitsprofile werden durch den Einsatz langer, gerader Rohrstrecken und Strömungsausgleicher vor dem Dosierelement erreicht. Die Länge des geraden Rohrs ist eine Funktion der Rohrkonfiguration vor dem geraden Rohr und dem Verhältnis des Öffnungs- (oder Düsen-) Durchmessers zum Nennrohrdurchmesser.

Dieses Durchmesserverhältnis wird als β-Verhältnis bezeichnet. Die Anforderungen an die Genauigkeit der Durchflussmessung sind in der gesamten Branche gut etabliert und allgemein anerkannt.

Mit zunehmendem β-Verhältnis nimmt auch die Länge des für eine bestimmte Anordnung erforderlichen geraden Rohrs zu. Der Grund dafür ist, dass mit zunehmender Öffnungsgröße bei gegebenem Rohrdurchmesser eine gleichmäßigere Geschwindigkeitsverteilung erforderlich ist. In Tabelle 3 sind die Anforderungen an den geraden Rohrverlauf für verschiedene Rohrleitungskomponenten aufgeführt, ausgedrückt in Rohrnenndurchmessern für ein β-Verhältnis von 0,5 [4].

Tabelle 3. Anforderungen an den geraden Rohrverlauf für Rohrleitungskomponenten (β = 0,5)

Aufgrund realer Einschränkungen kann es unrealistisch sein, diese Anforderungen auf den Einlass eines Kompressors anzuwenden. Das Verhältnis der Anforderungen für verschiedene Konfigurationen kann jedoch wertvolle Hinweise für die Kompressoreinlassanforderungen liefern.

Für ein β-Verhältnis von 0,5 benötigt ein Knie beispielsweise 9 Durchmesser und ein teilweise geschlossenes Ventil benötigt 25 Durchmesser. Daher beträgt der Faktor für ein Kniestück (Basisfall) 9/9 oder 1 und 25/9 oder 2,78 für ein teilweise geschlossenes Ventil. Wenn wir den gesamten Bereich der β-Verhältnisse betrachten, die Daten mitteln und den einzelnen Winkel als Basisfall heranziehen, kann eine Reihe von Korrekturfaktoren entwickelt werden.

Tabelle 4 zeigt die Korrekturfaktoren, die auf der Grundlage des gesamten Bereichs der β-Verhältnis-Daten unter Verwendung eines einzelnen Ellenbogens als Basislinie entwickelt wurden [4].

Tabelle 4. Korrekturfaktoren für den geraden Rohrverlauf von Rohrleitungskomponenten

Um zu veranschaulichen, wie diese Informationen angewendet werden können, betrachten wir einen Kohlenwasserstoffgaskompressor mit einem Molekulargewicht von 25, einer Einlasstemperatur von 85 °F und einer Einlassgeschwindigkeit von 100 fps. Die Rohrleitungsanordnung ist wie in Abbildung 4 dargestellt, wobei die Krümmerebene parallel zum Rotor verläuft, zusätzlich befindet sich jedoch vor den beiden Krümmern eine Absperrklappe.

Wenn man Abbildung 1 mit 100 fps und einem Molekulargewicht von 25 betritt, ist eine gerade Strecke mit einem Rohrdurchmesser von 1,45 erforderlich. Die Anwendung des Korrekturfaktors für die Rohrleitungskonfiguration von 1,75 und des Absperrklappenfaktors von 1,5 ergibt: 1,45 x 1,75 x 1,5 = 3,8 Durchmesser

Daher erfordert diese Anordnung ein gerades Rohr mit etwa 4 Durchmessern vor dem Kompressoreinlass.

Wenn eine Anlagenkonstruktion die für diese Methode erforderliche minimale gerade Rohrstrecke nicht unterstützen kann, stehen einige Optionen zur Verfügung, um die Anforderungen zu reduzieren. Die erste Möglichkeit besteht darin, einen speziell auf Gehrung geschnittenen, mit Flügeln versehenen Bogen anzubringen, wie in Abbildung 4 dargestellt.

Dieses Kniestück erfordert einen minimalen Einbauraum, hat einen niedrigen Verlustfaktor und sorgt für eine minimale Geschwindigkeitsprofilverzerrung stromabwärts des Kniestücks. Allerdings wird ein schlechtes Geschwindigkeitsprofil stromaufwärts durch den Ellbogen übertragen. Darüber hinaus führt die Verwendung von zwei auf Gehrung geschnittenen, mit Flügeln versehenen Bögen in Reihe, wobei einer im 90-Grad-Winkel zueinander steht, nicht zu einem Wirbel in der Strömung.

Bei großen Rohrleitungen wären die Kosten vergleichbar mit standardmäßig geformten Rohrbögen. Wenn Gehrungsbögen anstelle von Standardbögen wie dem abgebildeten verwendet werden, können die Korrekturfaktoren durch 2 geteilt werden.

Eine zweite Alternative zur Reduzierung der Anforderungen an die gerade Rohrführung ist ein Strömungsausgleicher. Das Design des Equalizers sollte entweder den ASME- oder AGA-Standards entsprechen. Diese Optionen können je nach verwendetem Typ teuer sein und führen zu einem Leistungsnachteil, da mit ihnen ein erheblicher Druckabfall verbunden ist.

Wenn der Leistungsnachteil jedoch toleriert werden kann, kann ein Strömungsausgleicher auf der geraden Leitung zum Kompressoreinlass die erforderliche gerade Rohrlänge um den Faktor 4 reduzieren.

Die zuvor besprochenen Empfehlungen für die Einlassverrohrung zielen darauf ab, die Auswirkungen vorgelagerter Rohrleitungselemente wie Bögen und Steuerventile zu verringern. Es gibt jedoch kaum Diskussionen über eine praktische Methode zur Bestätigung der Wirkung vor und nach der Implementierung der vorgelagerten Rohrleitungsänderungen. In Referenz [3] hatte die Rohrlänge vor einem Radialkompressor mit Axialeinlass keinen signifikanten Einfluss auf die Kompressorleistung, wie in Abbildung 7 dargestellt.

Denken Sie daran, dass Kompressoren mit axialem Einlass empfindlicher auf die Anordnung der vorgeschalteten Rohre reagieren. Daher ist es wahrscheinlich, dass die Einlassrohre auf bestimmte Arten von Kompressorkonstruktionen empfindlicher reagieren. Dies sollte bei Anwendungen berücksichtigt werden, bevor wesentliche Änderungen an der Kompressorinstallation vorgenommen werden.

Dieser Artikel erschien ursprünglich im COMPRESSORtech2-Magazin.

[1] 1997, Performance Test Code on Compressors and Exhausters, PTC 10 – 1997 (R2014), American Society of Mechanical Engineers, New York.

[2] Hackel, RA und King, RF Jr., „Centrifugal Compressor Inlet Piping – A Practical Guide“, Compressed Air and Gas Institute, 4(2).

[3] White, BA, Bueno, PC, Fierro, F. und Cook, TL, 2018, „Mechanical, Stress and Flow Considerations for Piping Design of Centrifugal Compressors“, Proceedings of the 47th Turbomachinery & 34th Pump Symposia, Houston, TX.

[4] 2004, Drucktestcodes – Durchflussmessung, ASME PTC 19.5-2004, American Society of Mechanical Engineers.

[5] 1962, Aerospace Applied Thermodynamics Manual, SAE International.