1.5. Конструктивное устройство различных типов компрессоров

Поршневые компрессоры

Поршневой компрессор – объемная машина, у которой всасывание, сжатие и вытеснение газа производятся поршнем, перемещающимся в цилиндре возвратно – поступательно (рис. 9).

Н аиболее распространены поршневые компрессоры с приводом от электродвигателя. В этом случае преобразование вращательного движения вала в возвратно – поступательное движение поршня происходит при помощи кривошипно-шатунного механизма, состоящего в общем случае из вала с кривошипом (или коленом), шатуна и крейцкопфа (ползуна) (рис. 10, б).

В

а б

Рис. 10. Конструктивные схемы компрессора: а – бескрейцкопфного; б – крейцкопфного; 1 – коленчатый вал; 2 – шатун; 3 и 5 – клапана нагнетательный и всасывающий; 4 и 6 – нагнетательный и всасывающий патрубки; 7 – поршень; 8 – цилиндр; 9 – шток; 10 – крейцкопф; 11 – направляющие крейцкопфа

ряде конструкций ползун (крейцкопф) отсутствует и его назначение – спрямлять движение – выполняет поршень удлиненной формы (рис. 10, а). Поэтому различают два типа поршневого компрессора – крейцкопфные и бескрейцкопфные.

В теории машин и механизмов отмечаются два характерных положения кривошипно-шатунного механизма, наблюдающиеся в те моменты, когда геометрическая ось шатуна пересекает плоскость кривошипа (колена). Такие положения механизма называются мертвыми, а соответственно положения поршня – мертвыми точками.

В последующем положение поршня в момент его наибольшего удаления от вала будем называть верхней мертвой точкой (ВМТ), соответственно наименьшее удаление поршня – нижней мертвой точкой (НМТ). Расстояние между мертвыми точками для рабочей полости цилиндра равно ходу поршня s, который равен двум радиусам кривошипа 2r. Как видно из схем рисунка 10 поршень может работать одной стороной (а) или двумя сторонами (б). Поэтому различают поршневые компрессоры двух типов: одностороннего и двухстороннего действия.

Крейцкопфные компрессоры могут быть как с цилиндрами двухстороннего действия, так и с цилиндрами одностороннего действия.

Бескрейцкопфные компрессоры выполняются только с цилиндрами одностороннего действия.

Торцевая поверхность поршня 7 (со стороны клапанов), поверхность клапанной коробки вместе с клапанами 3 и 5, внутренняя поверхность цилиндра 8 образуют рабочую полость цилиндра бескрейцкопфного компрессора простого действия (см. рис. 10, а). Поршень 7 совершает возвратно-поступательное движение, которое обеспечивается кривошипно-шатунным механизмом. При движении поршня от крайнего левого положения в цилиндре создается разряжение. Под действием разности давлений всасывающий клапан 5 открывается, и газ поступает в цилиндр. Поступление газа в цилиндр продолжается до тех пор, пока поршень не придет в крайнее правое положение. В этот момент клапан 5 закрывается. Процесс всасывания заканчивается.

При движении поршня к ВМТ начинает уменьшаться рабочая полость цилиндра и повышается давление в цилиндре. Происходит процесс сжатия газа. Когда давление газа в цилиндре превысит давление за нагнетательным клапаном 3, последний под действием разности давлений открывается, и происходит нагнетание газа в нагнетательный патрубок.

Нагнетание происходит до тех пор, пока поршень не придет в крайнее левое положение. Объем газа в цилиндре компрессора в этот момент минимальный – это мертвый объем. Газ находится в мертвом объеме под давлением, и, когда происходит движение поршня от ВМТ к НМТ, газ расширяется, занимая некоторую долю рабочего объема цилиндра. Процесс расширения газа из мертвого объема называется процессом обратного расширения.

По такой схеме выполняются обычно компрессоры малой производительности.

Цилиндры, в которых рабочие процессы происходят по обе стороны, называются цилиндрами двухстороннего действия. Рабочие процессы в цилиндрах двухстороннего действия происходят одновременно в обеих полостях, но процессы смещены по времени на продолжительность поршня. Передача движения от кривошипно-шатунного механизма к поршню осуществляется через шток 9 и крейцкопф (ползун) 10, который движется в специальных направляющих 11 (см. рис. 10, б).

В тех случаях, когда требуемое давление газа не может быть получено сжатием в одном цилиндре, применяются компрессоры со ступенями давления, называемые многоступенчатыми. В таких компрессорах сжатие происходит многократно в последовательно соединенных цилиндрах, разобщенных клапанами. Между цилиндрами поток газа проходит через межступенные охладители. В некоторых конструкциях многоступенчатое сжатие достигается в одном цилиндре поршнем с несколькими диаметрами.

Применение многоступенчатого сжатия воздуха имеет следующие преимущества перед одноступенчатым: улучшается коэффициент подачи, увеличивается безопасность смазки цилиндров и уменьшается работа сжатия. К недостаткам многоступенчатого сжатия можно отнести: конструктивную сложность компрессора, увеличение потерь давления воздуха при его прохождении через промежуточные воздухоохладители.

Ступень цилиндра состоит из рабочего цилиндра, поршня и системы клапанов. Рабочий объем ступени поршневого компрессора характеризуется объемом, который поршень описывает за один ход (V_h) или за единицу времени ( ).

Для ступени с поршнем одностороннего действия

; . (4)

Для ступени двухстороннего действия (рис. 10, б)

; (5)

. (6)

Ступень поршневого компрессора имеет мертвое пространство с объемом . Это – объем газа между крышкой цилиндра и поршнем, в зазоре между поршнем и рабочей поверхностью цилиндра, в клапанных гнездах и в самих клапанах, в выемках и каналах поршня и цилиндра. Мертвое пространство необходимо для исключения удара поршня о крышку из-за температурных деформаций деталей механизма движения и штока или при избытке смазки. Осевой зазор между крышкой и торцом поршня s_л, называемый линейным мертвым пространством, мм, принимается равным

. (7)

Относительное мертвое пространство – отношение объема мертвого пространства к объему, описанному поршнем за один его ход

. (8)

Объемная производительность компрессора V, м³/с, м³/мин, м³/ч, – объем нагнетаемого газа в единицу времени, приведенный к условиям всасывания, т. е. к давлению и температуре во всасывающем патрубке компрессора.

Массовая производительность m, кг/с, кг/мин, кг/ч, представляет собой произведение объемной производительности V на плотность газа во всасывающем патрубке ρ: , где ρ определяется уравнением состояния.

Приведенная производительность (подача) компрессора V₀ – объем сухого газа, нагнетаемый в единицу времени, приведенный к нормальным условиям. Нормальные условия – атмосферное давление p₀ = 0,1013 МПа и температура T₀ = 273 К.

Приведенная производительность не включает объем водяных паров во всасываемом газе и поэтому представляет интерес для потребителя, поскольку определяет количество только сухого газа.

Объемная производительность, как и массовая, зависит от внешних условий, поэтому не может служить расчетным параметром компрессора.

На рис. 2 показаны типовые конструктивные схемы поршневых компрессоров: крейцкопфные – с двухсторонним всасыванием и бескрейцкопфные – одностороннего всасывания (мощностью до 100 кВт).

По расположению цилиндров поршневые компрессоры подразделяются на вертикальные, горизонтальные и угловые. К вертикальным относятся машины с цилиндрами, расположенными вертикально, к горизонтальным – с цилиндрами, расположенными горизонтально (см. рис. 2). При горизонтальном расположении цилиндры могут быть размещены по одну сторону коленчатого вала, такие компрессоры называются горизонтальными с односторонним расположением цилиндров; а по обе стороны вала – горизонтальными с двухсторонним расположением цилиндров (см. рис. 2).

К угловым компрессорам относятся машины с цилиндрами, расположенными в одних рядах вертикально, в других – горизонтально. Такие компрессоры называются прямоугольными. К угловым компрессорам относятся машины с наклонными цилиндрами, установленными У-образно и Ш - образно (компрессоры называются соответственно У- и Ш - образными).

Прогрессивными в развитии поршневых компрессоров является переход на оппозитное исполнение компрессоров крупной и средней производительности. Оппозитные компрессоры, представляющие собой горизонтальные машины с встречным движением поршней и расположением цилиндров по обе стороны вала, отличаются высокой динамической уравновешенностью, меньшими габаритами и массой. Благодаря своим преимуществам оппозитные компрессоры практически полностью вытеснили традиционный тип крупного горизонтального компрессора.

Для машин малой и средней производительности основным является прямоугольный тип компрессора и компрессора с У-образным расположением цилиндров.

По числу ступеней сжатия компрессоры различаются одно-, двух- и многоступенчатые. Многоступенчатое сжатие вызывается необходимостью ограничить температуру сжимаемого газа (рис. 11).

Рис. 11. Схема многоступенчатого компрессора: 1 – цилиндры; 2 – воздухоохладители; I – III ступени сжатия

Например, при адиабатном сжатии в одном цилиндре до избыточного давления 0,3 МПа температура сжимаемого воздуха достигает 453 К. Трущиеся пары компрессора (поршни, цилиндры, сальники) смазываются маслом, которое при высоких температурах разлагается, образуя нагар. В воздушных компрессорах возникает опасность воспламенения и взрыва масляного нагара, накапливающегося в трубопроводах, на крышках цилиндров и поверхностях клапанов, поэтому температура нагнетаемого воздуха превышать 453 К.

На схеме многоступенчатого компрессора (см. рис. 11) газ в цилиндре I ступени сжимается от давления всасывания до некоторого промежуточного давления, затем проходит межступенный воздухоохладитель I ступени, в котором его температура снижается от температуры нагнетания до температуры всасывания, и направляется в цилиндр II ступени. Здесь газ сжимается до более высокого давления, проходит следующий межступенный воздухоохладитель и направляется в цилиндр III ступени и т. д.

Графическая зависимость давления газа в цилиндре компрессора от положения поршня за оборот вала называется индикаторной диаграммой. Обычно по горизонтальной оси откладывают в масштабе длину пути поршня или объем, им описываемый, а по вертикальной оси – давление газа в цилиндре. Иногда индикаторную диаграмму строят в p, α - координатах, где α – угол поворота коленчатого вала от мертвого положения.

В теоретическом или идеальном компрессоре предлагается сжатие воздуха по изоэнтропе, отсутствие сопротивлений всасывающих и нагнетательных клапанов, трубопроводов, а также зазора между поршнем и крышкой цилиндра в крайнем положении поршня (верхней мертвой точке), т. е. мертвого пространства в цилиндре.

Действительная индикаторная диаграмма работы компрессора будет отличаться от теоретической следующими факторами: процесс сжатия воздуха происходит по политропе, наличием вредного (мертвого) пространства, сопротивлением клапанов и, как следствие, понижением давления при всасывании воздуха, влажностью воздуха, перетечками воздуха из-за неплотности в клапанах, поршневых кольцах и т. п.

Площадь индикаторной диаграммы, построенной в определенном масштабе в p, V – координатах, пропорциональна работе и мощности компрессора за один оборот вала. Индикаторная диаграмма получила свое название от индикаторного устройства, с помощью которого она получается и строится в p, V – координатах.

Действительная индикаторная диаграмма ступени компрессора изображена на рис. 12. Точка d на диаграмме соответствует началу открытия, точка a – закрытию всасывающего клапана. Началу открытия нагнетательного клапана на диаграмме соответствует точка b, его закрытию – точка c. Линия d-a изображает на диаграмме процесс всасывания, a-b – процесс сжатия, b-c - процесс нагнетания и c-d – процесс расширения газа, находящегося в мертвом пространстве. Изменение температуры всасывания газа происходит из-за его подогрева горячими стенками рабочей полости и превращения в теплоту работы дросселирования газа через всасывающие клапана. Изменение давления газа в процессе всасывания связано с неравномерностью движения поршня, а также из-за изменения проходных сечений клапана в периоды открытия и закрытия.

Н а процесс сжатия влияют утечки и перетечки газа через неплотности клапанов, поршневых и сальниковых уплотнений. В начале сжатия температура газа ниже температуры стенок рабочей полости из-за тепловой инерции. Поэтому начальный период процесса сжатия происходит с подводом теплоты к газу (показатель политропы n сжатия на данном участке процесса ниже показателя изоэнтропы k). При сжатии газа температура его возрастает, и наступает момент, когда температура газа становится равной температуре стенок (n = k). При дальнейшем сжатии газа его температура превышает температуру стенок рабочей полости, и поэтому процесс сжатия происходит с отводом теплоты от газа (n > k).

Процесс нагнетания, как и процесс всасывания, протекает при переменной массе, температуре и давлении газа. Процесс расширения, как и процесс сжатия, протекает практически при постоянной массе газа и переменном показателе политропы n, который изменяется от n > k в начале расширения до n < k в конце расширения.

При анализе индикаторных диаграмм и выполнении термодинамических расчетов поршневого компрессора пользуются политропой конечных параметров, которая представляет собой условную политропическую зависимость с постоянным показателем. Политропа конечных параметров отличается тем, что параметры газа в начале и в конце процесса совпадают с параметрами газа, определяемыми действительной политропой. По политропе конечных параметров определяются параметры газа в конце процесса, если известны параметры в начале процесса.

Мембранные компрессоры

Мембранные компрессоры – машины объемного типа, у которых вместо движущегося в цилиндре поршня используется колеблющаяся мембрана, зажатая по контуру между крышкой и опорной плитой компрессора. Воздействие на мембрану производится механически или гидравлически. При механическом воздействии (рис. 4) эксцентрик, расположенный на приводном валу, обеспечивает возвратно-поступательное движение штока с диском, в котором закреплена мембрана.

Гидравлическое воздействие на мембрану показано на рис. 13, где колебательное движение мембраны является результатом меняющегося давления жидкости на нижнюю сторону мембраны. Меняющееся давление жидкости на нижней стороне мембраны обеспечивается поршневым механизмом, рабочий объем которого согласован с объемом жидкости, требуемом на рабочем ходу компрессора.

Мембранные компрессоры с механическим воздействием применяются д ля малых производительностей при меняющихся давлениях. Мембранные компрессоры с гидравлическим воздействием применяются для обеспечения высоких давлений.

Двухроторные компрессоры (типа Рутс)

Д вухроторный компрессор (типа Рутс) представляет собой бесклапанную машину объемного типа. Два идентичных, обычно симметричных, двухлопастных ротора вращаются в противоположных направлениях внутри корпуса, составленного из двух полуцилиндров. Зазоры между вращающимися роторами устанавливаются с помощью синхронизирующихся шестерен, расположенных снаружи корпуса. Сжатие происходит обратным потоком газа из области нагнетания в тот момент, когда лопасть ротора соединяет отсеченную порцию газа с областью нагнетания. Из p, V – диаграммы видно (рис. 14), что сжатие газа таким способом малоэкономично и обеспечивает низкую степень повышения давления. Обычно компрессоры Рутс выполняются в одноступенчатом исполнении (возможно двух- и трехступенчатое исполнение). Принцип работы к омпрессора показан на рис. 15.

Рис. 15. Принцип работы компрессора типа Рутс: а – такт всасывания; б – такт отсечки; в – такт сжатия; г – такт нагнетания

Широкое применение машин Рутс в ряде отраслей промышленности (в последнее время в вакуумной технике) объясняется простотой их конструкций и эксплуатации, отсутствием трущихся элементов и смазки в проточной части, уравновешенностью, долговечностью.

Машины типа Рутс выпускаются производительностью от нескольких литров в минуту до 2000 м³/мин, с давлением нагнетания до 0,15 МПа.

Время безостановочной работы этих машин в основном зависит от срока службы масла в подшипниках, а если возможна замена масла без остановки, то от времени работы подшипников, т. е. до 50 – 100 тыс. ч.

Основные направления развития машин типа Рутс:

повышение производительности;

повышение перепадов рабочего давления;

использование в режиме газодувок при низких температурах газа на входе (до минус 160ºС);

моноблочность исполнения;

снижение металлоемкости за счет увеличения относительной длины проточной части;

обеспечение высокой герметичности машин (использование встроенных экранированных электродвигателей).

Ротационно-пластинчатые компрессоры

Ротационно-пластинчатые компрессоры отличаются компактностью, незначительным падением производительности при увеличении давления нагнетания и вакуума.

Компрессор (см. рис. 8), состоит из цилиндрического корпуса 1, закрытого торцевыми крышками. Корпус имеет всасывающий 7 и нагнетательный 5 патрубки. Внутри корпуса эксцентрично расположен ротор 2, в пазы которого вставлены подвижные пластины 3.

При вращении ротора пластины 3 под действием центробежной силы, перемещаясь в пазах, прижимаются к цилиндрической поверхности корпуса 1 и разделяют рабочее пространство между ротором и внутренней поверхностью цилиндра на отдельные камеры 8 разных размеров. Камеры, расположенные слева от вертикальной плоскости, которая проходит через ось цилиндра, сообщаются со всасывающим патрубком 7. При вращении их объем увеличивается и заполняется газом; так осуществляется процесс всасывания.

При достижении максимального объема камера разобщается со всасывающим патрубком. При дальнейшем движении теперь замкнутой камеры объем ее уменьшается, а давление газа увеличивается. Происходит процесс сжатия до тех пор, пока передняя пластина камеры не пройдет кромку нагнетательного окна цилиндра.

Камера оказывается сообщенной с нагнетательным патрубком 5, и происходит процесс нагнетания. Когда объем достигает минимальной величины, камера разобщается с нагнетательным патрубком. Дальнейшее движение камеры в левую половину цилиндра приводит ее к сообщению со всасывающим патрубком, и процессы всасывания, сжатия и нагнетания повторяются.

В корпусе выполнена рубашка для охлаждения 4 и установлен клапан 6. Компрессоры используются для питания сжатым воздухом пневмоинструмента, в системах пневматического транспорта, в качестве компрессоров и вакуум-насосов в различных отраслях промышленности для сжатия воздуха и технологических газов.

Ротационно-пластинчатые компрессоры выпускаются со стальными пластинами и разгрузочными кольцами, уменьшающими износ пластин, а также с пластинами из не смазываемых антифрикционных материалов.

Двухступенчатые компрессоры выполняются последовательным соединением одноступенчатых машин; привод от двигателя – непосредственно через упругую муфту. Машины работают до 10 лет без замены каких-либо деталей.

Основными достоинствами ротационных компрессоров являются:

1) быстроходность, что дает возможность непосредственного соединения компрессора с электродвигателем;

2) всасывание и нагнетание происходит непрерывно, поэтому отсутствует необходимость установки воздухосборника;

3) малая масса и габариты;

4) отсутствие всасывающих и нагнетательных клапанов.

К числу недостатков относят:

1) большую работу трения, вызывающую значительный износ деталей;

2) низкие значения КПД и коэффициента подачи;

3) высокую температуру сжатия;

4) сложность изготовления и ремонта.

Подачу компрессора определяют по формуле

, м³/мин, (8)

где D – диаметр цилиндра, м;

n – частота вращения, об/мин;

z – число пластин в ротационном компрессоре;

δ – толщина пластин;

l – длина цилиндра ротационного компрессора;

m – эксцентриситет ротационного компрессора (расстояние между осями ротора и цилиндра), м;

λ – коэффициент подачи, равный 0,8 – 0,9.

Винтовые компрессоры

Конструкция винтового компрессора запатентована в 1934 г.

Надежность в работе, малая удельная металлоемкость и габаритные размеры предопределили их широкое распространение. Компрессоры конкурируют с другими типами объемных компрессорных машин, практически полностью вытеснив их в передвижных компрессорных установках.

Рабочими органами винтовых компрессоров являются роторы с нарезанными на них винтовыми зубьями, количество роторов от одного до трех. Наибольшее распространение получили двухроторные машины. Роторы вращаются в корпусе, выполняющем роль цилиндра (рис. 5).

Роторы современных винтовых компрессоров представляют собой косозубые шестерни с малым числом зубьев специального профиля. Каждая пара зубьев образует винтовой канал, заполняемый газом. Ротор, называемый ведущим, имеет выпуклые, широкие зубья и чаще всего соединен с двигателем. Ведомый ротор имеет зубья вогнутые и тонкие.

Расточки корпуса под роторы пересекаются между собой, образуя в поперечном сечении фигуру в виде восьмерки. По диагонали эти полости соединены с камерами всасывания и нагнетания через специальные всасывающие и нагнетательные полости (окна). Окно всасывания имеет форму кольцевого сектора и расположено с торца винтов, окно нагнетания располагается сбоку или с торца винтов. В области сжатия газа окружные скорости винтов направлены навстречу друг другу, и зубья винтов сходятся. С противоположной стороны под винтами окружные скорости направлены друг от друга, и зубья винтов расходятся, благодаря чему происходит всасывание газа (область всасывания).

Газ проходит последовательно все фазы процесса компрессора. При этом полости с газом находятся на различной стадии сжатия. Профиль зубьев винтов должен обеспечить герметичность в сечениях, нормальных к осям роторов и в осевом направлении, а также герметичность компрессора по вершинам зубьев и с торцов роторов.

Объем впадин между зубьями ведущего и ведомого роторов называется парной полостью.

Рабочий процесс винтового компрессора состоит из четырех фаз: всасывания, переноса, сжатия, нагнетания.

При вращении винтов на стороне выхода зубьев из зацепления постепенно, начиная от торца всасывания, освобождаются впадины между зубьями. Эти полости благодаря создаваемому в них разрежению заполняются газом, поступающим из камеры всасывания. С поворотом роторов заполненное пространство увеличивается до тех пор, пока с торцевой стороны, где расположена камера нагнетания, зубья не выйдут из зацепления полностью. На этом этап всасывания заканчивается.

При дальнейшем повороте роторов полость между зубьями прейдет через кромку всасывающего окна, ее соединение с этим окном прекращается, газ оказывается в изолированной полости и без изменения замкнутого объема парной полости переместится на некоторый угол (перенос), и затем начнется сжатие.

С торцевой стороны всасывающего окна в пространство между зубьями начинает проникать зуб ротора. С поворотом роторов линия зацепления зубьев перемещается к торцевой стороне нагнетательного окна. Уменьшение объема парной полости приведет к росту давления, которое будет продолжаться до тех пор, пока полость сжатия не соединится с окном нагнетания. В этот момент процесс внутреннего сжатия заканчивается.

При сообщении полости сжатия с нагнетательным окном дальнейшее вращение приводит к выталкиванию сжатого газа в нагнетательный патрубок.

Повышение давления газа в винтовом компрессоре зависит от размеров окна нагнетания: с уменьшением его внутреннее сжатие будет увеличиваться.

Винтовые компрессоры делятся на две группы: машины сухого и мокрого сжатия (маслозаполненные).

Винтовые компрессоры сухого сжатия подают сухой газ, не содержащий масла. Винты вращаются в корпусе без контактов, отсутствует и взаимный контакт роторов, что обеспечивается парой зубчатых колес, синхронизирующих вращение роторов и устанавливающих между ними требуемый зазор. Охлаждение таких машин осуществляется через водяные полости в отливке корпуса.

Значительное развитие и расширение области применения винтовых компрессоров связано с появлением маслозаполненного компрессора.

Впрыск масла в рабочее пространство позволил получить отношение давлений до 10 – 15 в одноступенчатой машине против 4 – 5 в компрессоре сухого сжатия.

Зазоры в маслозаполненном компрессоре в 2 раза меньше, чем в компрессоре сухого сжатия, в связи с менее напряженным температурным режимом. Кроме того, масло, заполняя зазоры, способствует уменьшению внутренних перетечек.

Частота вращения роторов маслозаполненного компрессора ниже компрессора сухого трения, поэтому опорами роторов могут быть подшипники качения или скольжения. Осевые силы, действующие на роторы, частично уравновешиваются специальными поршнями, частично воспринимаются упорными подшипниками. Упрощается конструкция концевых уплотнений, поскольку уплотнение осуществляется тем же маслом, которое подается в рабочую полость, а также в подшипниковые камеры для смазки.

В результате подачи масла в рабочую полость винтового компрессора:

повышается производительность (за счет уменьшения внутренних перетечек);

упрощается конструкция компрессора, возможно непосредственное соприкосновение зубьев роторов, отпадает необходимость в синхронизирующихся шестернях;

увеличивается отношение давлений в ступени;

повышается энергетическая эффективность, надежность и долговечность.

Маслозаполненные винтовые компрессоры не нуждаются в глушителях из-за снижения уровня шума благодаря низким окружным скоростям, поглощения звуковых волн маслом, а также потому, что роль глушителя на нагнетании выполняют маслоотделитель и маслосборник. Снижение температурного перепада уменьшает тепловые деформации его деталей.

Необходимо, однако, отметить, что маслосистема увеличивает габариты компрессорной установки и ее стоимость и усложняет эксплуатацию. Масляная смазка положительно влияет на эксплуатационные качества винтовых компрессоров. Однако использование минеральных масел приводит к загрязнению газа парами масел. Поэтому промышленностью разработаны водозаполненные винтовые компрессоры, в которых роль смазки и уплотнителя зазоров играет чистая, не содержащая агрессивных примесей вода.

Зацепление называется герметичным, если при изготовлении винтов и корпуса создаются полностью изолированные друг от друга полости всасывания и нагнетания.

Герметичность зависит от особенностей профилей, по которым очерчены зубья. В реальном сухом компрессоре между винтами и корпусом и между самими винтами должны быть зазоры. Зазоры выбираются минимальными, но достаточными для безопасной работы машины.

Влияние на герметичность зацепления, на экономичность, на массовые и габаритные показатели компрессора оказывает профиль зубьев.

Зацепление должно обеспечивать герметичность между областями нагнетания и всасывания, герметичность между парными полостями газа, т. е. в осевом направлении.

Основные геометрические характеристики винтового зацепления: длина линии контакта, величина треугольной щели, защемленный объем и площадь впадин между зубьями роторов.

Линией контакта называется линия соприкосновения сопряженных профилей зубьев. В маслозаполненном компрессоре может быть непосредственный контакт между зубьями. В сухих машинах линия контакта – это линия сопряжения. Через зазоры по линии контакта происходит утечка газа из полостей с повышенным давлением в полости с пониженным давлением.

Защемленный объем – это часть объема парной полости газа, заключенная между торцом расточки корпуса со стороны нагнетания и линией контакта сопряженных зубьев, которая с определенного момента изолируется в самостоятельный замкнутый объем. В защемленном объеме происходит сжатие газа. Чем больше защемленный объем, тем больше внутренние потери в компрессоре и ниже его КПД.

Треугольная щель образуется между гребнем расточки корпуса и верхней точкой линии контакта винтов; она соединяет соседние полости, находящиеся под разным давлением, и снижает КПД компрессора.

Площадь впадин между зубьями роторов определяет при прочих равных условиях объем парной полости и, следовательно, теоретическую производительность компрессора.

Профилем зуба называется кривая, очерчивающая поверхность зуба в плоскости, нормальной оси вращения.

Центробежные компрессоры

Центробежные компрессоры по сравнению с поршневыми имеют малые габариты и массу, приходящиеся на единицу производительности, обеспечивают подачу сжатого газа без пульсаций, в них отсутствуют поступательно движущиеся части и, следовательно, отсутствуют инерционные усилия, передаваемые на фундамент. Сжатие газа происходит без загрязнения его маслом, так как в зоне сжатия нет трущихся пар, к которым необходимо было бы подводить смазку.

По конструктивным особенностям центробежный компрессор экономичен при больших производительностях (более 120 м³/мин).

На рис. 16 показана принципиальная схема центробежного компрессора. Центробежные компрессоры имеют несколько ступеней, количество которых зависит от требуемого повышения давления. Под ступенью центробежного компрессора понимают сочетание рабочего колеса, диффузора и обратного направляющего аппарата. При вращении рабочего колеса на стороне входа у него образуется разрежение, вследствие чего газ поступает по всасывающему подводу в каналы между лопатками рабочего колеса. В рабочем колесе под действием центробежных и газодинамических сил, возникающих при обтекании лопастей, происходит повышение давления и увеличение скорости газа. Поступив из рабочего колеса в диффузор, газ значительно снижает свою скорость и повышает давление.

Рис. 16. Схема многоступенчатого центробежного компрессора: 1 – вал; 2, 6, 8, 9, 10 и 11 рабочие колёса; 3 и 7 – кольцевые диффузоры; 4 – обратный направляющий канал; 5 – направляющий аппарат; 12 и 13 – каналы для подвода газа из холодильников; 14 – канал для всасывания газа.

Несмотря на разнообразие конструктивных схем и исполнений, ступень компрессора состоит из ряда сходных по назначению элементов.

Газ к рабочему колесу подводится с помощью подводящего устройства (подвода), конструктивное исполнение которого зависит от схемы компрессора.

Рабочее колесо центробежного компрессора состоит из ведущего (основного) и ведомого (покрывающего) дисков, между которыми имеются профилированные лопатки. Получив приращение энергии в рабочем колесе, газ поступает в отводящее устройство и направляется в нагнетательный патрубок или к последующей ступени компрессора. Для центробежных компрессоров отводящее устройство (отвод) может выполняться в виде спиральной камеры, безлопаточного кольцевого диффузора или лопаточного отвода. В местах выхода вала из корпуса предусмотрены концевые уплотнения.

Рабочее колесо является тем элементом проточной части, в котором происходит преобразование механической энергии привода в энергию перекачиваемого газа. Это налагает особые требования к совершенству проточной части, точности изготовления, качеству поверхности.

Конструктивное исполнение рабочих колес центробежных компрессоров различно (рис. 17).

а б

Рис. 17. Рабочие колеса центробежных компрессоров: а – закрытого типа; б – полуоткрытого типа

Рабочее колесо закрытого типа (рис. 17 а) состоит из основного 3 и покрывающего (переднего) 1 дисков, между которыми располагаются профилированные лопасти 2, образующую круговую решетку. Диски выполняются из поковок, либо штампуются. Кованые диски применяются при окружных скоростях на выходе рабочего колеса u₂ > 200 м/с; при u₂ < 200 м/с ведущий диск выполняют цельнокованым, а ведомый – штампованным. Соединение отштампованных лопастей с дисками может осуществляться с помощью заклепок, сварки, пайки. Лопасти бывают одинарной кривизны (цилиндрические) или двойной кривизны (пространственные). В некоторых случаях применяются укороченные (через одну) промежуточные лопасти для уменьшения стеснения потока при входе на решетку.

Клепаное соединение лопастей с дисками осуществляется различными способами:

заклепки изготавливаются совместно с лопаткой. В этом случае обеспечивается хорошая точность и чистота клапанов, но изготовление самой лопасти затруднительно;

заклепки проходят через все тело лопасти. При этом обеспечивается хорошая чистота каналов, но требуется завышенная толщина лопасти;

применяется П - образное сечение, а для малой ширины рабочего колеса (b₂ < 15 мм) – z-образное сечение лопасти.

При окружных скоростях м/с применяются полуоткрытые рабочие колеса, отсутствует передний покрывающий диск (рис. 17 б). Лопасти и ведущий диск получают фрезерованием либо электроэрозионной обработкой из одной поковки. Торцы лопаток обрабатываются по шаблону для обеспечения равномерного зазора корпусом компрессора. Рабочие колеса полуоткрытого типа изготавливаются цельными или составными.

Рабочие колеса центробежных компрессоров выполняют с односторонним и двухсторонним входами.

В следующую ступень газ повышенного давления поступает по обратному направляющему аппарату. Пройдя все ступени, газ попадает в выходную улитку и направляется в нагнетательный трубопровод.

Ротор компрессора установлен в подшипниках.

Осевые компрессоры

В осевых компрессорах (рис. 18) газ через входной патрубок поступает в проточную часть компрессора и перемещается последовательно от лопаток входного направляющего аппарата, через группу ступеней, спрямляющий аппарат, диффузор и выходной патрубок. Рабочие колеса ступеней вместе с валом, на котором они насажены, образуют ротор; направляющие аппараты вместе с корпусом, в котором они закреплены – статор. Ротор опирается на подшипники, которые обычно выполняются в виде подшипников скольжения.

Входной патрубок служит для равномерного подвода газа из подводящего трубопровода к кольцевому конфузору, который предназначен для ускорения потока перед входным направляющим аппаратом и создания равномерного поля скоростей и давлений.

Рабочее колесо осевого компрессора (рис. 19) состоит из ступицы 1, на поверхности которой равномерно по окружности расположены профилированные лопасти 2. Лопасти могут крепиться к ступице неподвижно, либо иметь возможность разворачиваться на определенный угол вокруг своей оси.

а б

Рис. 19. Рабочее колесо осевого компрессора: а – колесо с поворотными лопастями; б – лопасть

Центробежные компрессоры, так же как и осевые, имеют следующие существенные преимущества перед другими компрессорами.

1. Компактность и меньшую массу машин, что обусловлено непрерывностью потока газа и большой скоростью при течении его через машину.

2. Надежность в работе и долговечность вследствие почти полного отсутствия износа (при работе на чистых газах), так как единственными трущимися узлами являются подшипниками.

3. Хорошая уравновешенность, отсутствие инерционных сил при работе, легкость фундаментов.

4. Равномерность подачи газа и отсутствие в нем смазочного масла в сжатом воздухе.

5. Возможность непосредственного соединения (без промежуточной передачи) с высокооборотным двигателем – турбиной, при большой производительности с электродвигателем обычного типа, а при малой – с высокочастотным электродвигателем. Непосредственное соединение позволяет сделать агрегат компактным и повышает его КПД. В случае введения повышающей передачи электродвигатель также является высокооборотным и компактным.

К недостаткам центробежных компрессорных машин следует отнести главным образом трудность выполнения машин малых производительностей и высоких степеней повышения давления (π_к > 30÷40), требуют большого машинного зала из-за расположения габаритных промежуточных охладителей под компрессором (на первом этаже здания), ограничение давления нагнетания (до 1 МПа), относительно невысокий КПД.

Мощность двигателя, приводящего в действие компрессор, определяется по следующему выражению

, кВт (9)

где N_i – индикаторная мощность компрессора;

k – коэффициент запаса мощности, учитывающий возможные случайные перегрузки, обычно k = 1,15-1,2;

η_п – КПД передачи от двигателя к валу компрессора (0,95-1);

η_м – механический КПД, учитывающий потери мощности в механизмах, передающих движение; для компрессоров с электродвигателем η_м=0,79-0,88;

η_дв – КПД двигателя.

Индикаторная мощность компрессора соответственно определяется

при адиабатном сжатии

; (10)

при изотермическом сжатии

, (11)

где N_а – теоретическая мощность компрессора при адиабатическом процессе сжатия;

η_ia – индикаторный КПД компрессора при адиабатическом процессе;

N_из – теоретическая мощность компрессора при изотермическом процессе сжатия;

η = 0,75-0,85 – индикаторный КПД компрессора при изотермическом процессе.

Изотермический и адиабатический КПД характеризуют термическое совершенство компрессора.