Зная подачу воздуха компрессором и поперечное сечение каналов компрессора, находится средняя скорость воздуха (при необходимости потери энергии), затем температура, давление и плотность. В результате торможения потока газа в расширяющихся каналах молекулы воздуха сближаются и температура повышается. По изменению температуры определяют давление и плотность газа.
1.5 Определяют массовую подачу воздуха компрессором, находят его параметры на входе:
, (1.5)
где Fвх.к – площадь поперечного сечения на входе в колесо компрессора в м2; W1 – скорость воздуха на входе в компрессор (30 – 80 м/с.); 
1– плотность воздуха (при 20 оС = 1,2 кг/м3),
,
где 
, Р= 0,98×105 Па, Т=293 К, R =287 Дж /(кг К).
1.6 Диаметр колеса на входе в компрессор определяется из выражения
. (1.6)
Наружный диаметр колеса компрессора D2К приближенно оценивается из соотношения D1/D2К = 0,55 – 0,7 и уточняется с учетом выбранного прототипа.
1.7 Определяется окружная скорость на выходе из колеса компрессора ( касательная к окружностиколеса или 
к радиусу вращения)
, (1.7)
где La 
– адиабатная работа сжатия; ηнап – напорный адиабатный КПД (0,6…0,75),характеризует способность колеса создавать напор.
Для подачи воздуха в цилиндры двигателя, необходимо осуществить его впуск в компрессор, сжатие и нагнетание. Принимаем, что процесс сжатия происходит без подвода и отвода теплоты.
1.8 Общая удельная работа (Дж/кг) при адиабатическом сжатии находится из выражения
, (1.8)
где ср = 1005 Дж/ (кг К) – удельная массовая изобарная теплоемкость воздуха; Та = 293 К – температура на входе в компрессор, к =1,4 – показатель адиабаты.
1.9 Зная окружную скорость и диаметр колеса, находится частота вращения вала колеса компрессора (nk) из формулы
,
nк = 60 U2 / 
D2 К. (1.9)
1.10 Относительную скорость ( касательную к поверхности лопатки) воздуха на выходе из колеса компрессора W2 находят из выражений:
, F вых. к= D2К b2 
, откуда 
, (1.10) где F вых. к – площадь выхода из колеса; – коэффициент, равный 0,8 – 0,9, учитывающий наличие лопаток на колесе, что уменьшает площадь на выходе; 
к ширина лопаток на выходе из колеса. Малоразмерный компрессор имеет максимальное значение КПД при числе лопаток 10 – 12.
1.11 В первом приближении плотность 2 находится по температуре Т2 , найденной по скорости U2 , используя выражения:
, 
, 
. (1.11)
1.12 По значениям U2 и W2, определяется абсолютная скорость на выходе из колеса (рис. 5)
. (1.12)
В современных компрессорах некоторые заводы-изготовители применяют колеса с радиальными лопатками, загнутыми на выходе назад (против вращения). Значение абсолютной скорости снижается на 5–10%, но увеличивается КПД в результате снижения потерь на трение (потери энергии пропорциональны величине скорости в квадрате).
При вращении колеса, за счет центробежных сил, молекулы воздуха перемещаются от центра к периферии. На выходе из колеса скорость молекул достигает значения С2. В межлопаточных каналах, за счет их расширения, кинетическая энергия переходит в энергию давления. Дополнительно скорость воздуха уменьшается в диффузоре и улитке (спиральной камере). В результате этого температура Т, давление Р и плотность ρ повышаются.
 |
Рис. 5 Окружная U2 , относительная W2 и абсолютная С2 скорости
на выходе из колеса компрессора.
1.13 Температура воздуха на выходе из колеса увеличивается в результате торможения газа в расширяющихся каналах
, (1.13)
где 
– коэффициент, учитывающий потери энергии в результате перетекания воздуха из линии нагнетания в линию всасывания и вихреобразования в каналах колеса.
При полном торможении потока газа, который двигался, например, со скоростью 400 м/с, температура повышается на 80 оС. Давление и плотность воздуха на выходе из колеса уточняют, используя выражения 1.11
1.14 Турбокомпрессоры имеют лопаточные или щелевые диффузоры. В диффузоре энергия к потоку газа не подводится. За счет торможения потока в расширяющих каналах происходит преобразование кинетической энергии в энергию давления. Наружный диаметр диффузора D3 выбирается из соотношения (1,3…1,5)D2К. Площадь на выходе из щелевого диффузора
, 
. (1.14)
1.15 Скорость на выходе из диффузора, определяется из выражения:
, 
. (1.15)
В первом приближении плотность ρ3 = ρ2, а затем она уточняется.
1.16 Температура воздуха на выходе из соплового аппарата находится из формулы
. (1.16)
1.17 Площадь выхода из улитки считают равной площади входа в компрессор. Газ со скоростью С3 поступает в улитку (воздухосборник) и его скорость снижается до значения С4 в результате расширения канала. Используя уравнение постоянства расходов, находят скорость на выходе из компрессора, затем температуру, давление и плотность.
, где F4 = Fвх, 
, 
(1.17)
Величина давления Р4 и есть давление на выходе из компрессора РК. При высокой температуре Т4 целесообразна установка охладителя типа воздух-воздух, воздух-жидкость. Температура воздуха, выходящего из холодильника, должна быть не выше 40 оС при температуре окружающего воздуха не выше плюс 25 оС. 
В качестве охлаждающей жидкости может быть использовано топливо [2], жидкость из системы охлаждения или воздух. Снижение температуры воздуха на 10 градусов повышает мощность двигателя на 2% и уменьшает расход топлива на 1%.
1.18 Действительную удельную работу, затраченную на всасывание, сжатие и нагнетание воздуха в компрессоре, адиабатный КПД рассчитывают, используя формулы:
, 
. (1.18)
1.19 Мощность компрессора (работа за единицу времени)
. (1.19)
Расчет компрессора и выбор его конструктивных параметров считается правильным, если адиабатный КПД, подсчитанный по формуле 1.18, не ниже 0,75 – 0,85. Адиабатный КПД характеризует совершенство проточной части компрессора.
