1.3 По принципу действия

Поршневые компрессоры Поршневые компрессоры по конструктивным признакам сходны с поршневыми насосами. Принцип действия основан на сжатии газа в замкнутом пространстве при уменьшении его объема. Изменение объема происходит вследствие возвратно-поступательного движения поршня в полости цилиндра.[7]

Рис.2 Конструктивная схема поршневого компрессора

1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – рубашка для охлаждения цилиндра; 4 – шатун; 5 – кривошип коленчатого вала; 6 – станина-картер; 7 – всасывающий клапан; 8 – всасывающий патрубок; 9 – нагнетательный патрубок; 10 – нагнетательный клапан; 11 – рубашка для охлаждения крышки; 12 – крышка цилиндра [2]

Основные группы деталей ПК - цилиндрическая, механизм движения и вспомогательное оборудование. В цилиндрической группе относят собственно цилиндры, поршни, клапаны, штоки и уплотнения, к механизму движения - картер, коренной вал, шатуны и крейцкопфа.  Безкрейцкопфни компрессоры намного проще, меньше и легче, но полоть цилиндра со стороны картера остается нерабочей. Значит растут диаметр, периметр уплотнения и пропуски газа, растут потери на механическое трение, происходит более усиленное износ цилиндрической группы.  Этот тип компрессоров имеет общую систему смазки цилиндрической группы и механизма движения в которой используется дорогое компрессорное масло, дозировка которого трудно поддается контролю, возникают значительные потери имела и загрязнения газа.  Выигрыш в массе и габаритах быстро исчезает с ростом подачи, поэтому такие конструкции используются только в машинах малых подач и давлений. Такие компрессоры не могут использоваться для сжатия O2, CI2, F2 и других агрессивных газов, а также углеводов, которые растворяются в маслах.  Условное изображение компрессора определяет его основные характеристики и параметры, в общем виде в картинке первая цифра (если она есть) означает число рядов, буква - показывает тип базы, цифра соответствует поршневой силе, следующие буквы и цифры - тип газа, конструктивное исполнение, а цифры в виде дроби - производительность и конечное давление

Классификация поршневых компрессоров:

1. По принципу действия — компрессоры с цилиндрами простого (см. рис.2), двойного (рис. 3) действия, с дифференциальным цилиндром (см. рис. 4). [2]

Рис. 3. Схема горизонтального поршневого компрессора двойного действия

На рис. 3 приведена схема поршневого компрессора двойного действия. Основными узлами компрессора, как видно из схемы являются цилиндр 1, поршень 2, нагнета­тельный патрубок 3, нагнетательный клапан 4, задняя крышка цилиндра 5, сальник 6, шток 7, крейцкопф 8, шатун 9, кривошип коленчатого вала 10, коленчатый вал 11, станина 12, рубашка для охлаждения задней крышки 13, всасывающий патрубок 14, всасывающие клапаны 15, передняя крышка цилиндра 16, рубашка пе­редней крышки 17, рубашка для охла­ждения цилиндра 18.

Рис. 4. Схема поршневого компрессора с дифференциальным цилиндром

2. По числу ступеней сжатия – одноступенчатые (см. рис. 3), двухступенчатые (см. рис. 5а, 5б, 5в, 5г), трехступенчатые ( см. рис. 6) и более. В современных компрессорах число ступеней не превышает обычно семи.

Рис. 5. Схемы поршневых двухступенчатых компрессоров

Рис.6 Схема поршневого трехступенчатого компрессора

Примечание. Сплошные линии указывают движение газа, происходящее в компрессоре в данный мо­мент, штриховые линии - движение газа при обратное ходе поршня. Римскими цифрами обозначены номера ступеней.

3. По числу цилиндров — одноцилиндровые (рис. 4), двухцилиндровые (рис. 6, рис. 5б, рис. 5в, рис. 5г ), трехцилиндровые (рис. 5а) и более.

4. По числу рядов, в которых располагаются цилиндры, — однорядные (см. рис. 5в), двухрядные (рис. 7) и многорядные

Рис. 7. Схема одноступенчатого двухцилиндрового компрессора

5. П о ориентации цилиндров в плоскости — угловые (см. рис. 4б) и компрессоры, включающие U-образное расположение цилиндров (см.рис. 4а).

6. Компрессоры со встречным (оппозитным) движением поршней (см. рис. 4г).

7. По подаче (малой, когда Q до 10 м³/мин, средней Q=10-15 м³/мин, большой Q=50–500 м³/мин).

8. по способу охлаждения цилиндров и сжимаемого воздуха: с водяным и воздушным охлаждением;

9. по числу оборотов вала компрессора: на тихоходные (до 200 об/мин) и быстроходные (от 500 до 1000 о6/мин);

10. по производительности: до 10 м3/мин - малой производительности; от 10 до 100 м /мин - средней производительности; свыше 100 м /мин - большой производительности;

11. по конечному давлению нагнетаемого воздуха: низкого давления (до 2,5 МПа); среднего давления (до 6 МПа); высокого давления (до 35 МПа) и сверхвысокого давления (свыше 35 МПа).[7]

В одном цилиндре при хорошем охлаждении можно получить сжатие воздуха лишь до 0,6 МПа при температуре, безопасной для компрессорной установки. Для получения более высокого сжатия с меньшей затратой энергии при условии компактности компрессорной станции применяются многоступенчатые компрессоры с промежуточным охлаждением воздуха и очисткой его от влаги и масла. В таких компрессорах атмосферный воздух сжимается последовательно в каждом цилиндре, очищаясь от водяных паров и паров масел после каждого межступенчатого охладителя воздуха.

Центробежные компрессоры

Центробежные компрессорные машины в зависимости от степени повышения давления принято именовать: вентиляторами, когда степень повышения давления е <1,1, нагнетателями (воздуходувками или газодувками) при е > 1,1, работающими без охлаждения, и собственно компрессорами, когда степень повышения давления е> 1,1 при наличии охлаждения сжимаемого газа. [8]

Центробежный компрессор относится к группе лопастных машин и по своему конструктивному оформлению имеет много общего с центробежным насосом. Некоторые отличия их от насосов заключены в конструкциях рабочих колес, неподвижных элементах ступени, вызванные сжимаемостью перекачиваемой среды.

На рис. 8 изображен продольный разрез центробежного компрессора. Основными деталями проточной части компрессора являются подводящие и отводящие устройства, корпус, рабочие колеса и неподвижные элементы, расположенные перед и за рабочими колесами.

Повышение энергии потока газа осуществляется только на рабочем колесе. Неподвижные элементы компрессора предназначены для подвода газа к рабочему колесу, преобразования его кинетической энергии в потенциальную (скоростной напор в давление), сбора газа, выходящего из рабочего колеса, подвода газа к следующей ступени и отвода его с заданными параметрами в напорный трубопровод.

Рис. 8. Центробежный компрессор

.

Центробежные компрессоры могут быть как одноступенчатыми, так и

много ступенчатыми. В последних сжатие газа производится в несколько

последовательных стадий (ступеней), которые могут быть промежуточными и концевыми. Сжатый газ из промежуточной ступени поступает в следующую ступень без предварительного охлаждения.[3]

При вращении рабочего колеса в зонах, расположенных у оси вращения, давление газа уменьшается по сравнению с давлением во всасывающем трубопроводе, за счет чего образуется непрерывный поток, перемещающийся через проточную часть колеса.

При работе одного колеса и диффузора, образующих ступень центробежного компрессора, степень сжатия газа е= 1,6. ..2,0. Величина е зависит от размеров и формы колеса и диффузора, а также от частоты вращения.

Ступени, из которых газ поступает в промежуточный или в конечный охладитель перед подачей в напорную систему, называются концевыми.

На рис. 9 представлена схема промежуточной и концевой ступеней центробежного компрессора; Газ из рабочего колеса 1 промежуточной ступени поступает в диффузор 2, затем в обратный направляющий аппарат 3, откуда забирается рабочим колесом 5 последующей ступени и через диффузор 4 попадает в нагнетательную камеру (улитку). Комплекс рабочее колесо — диффузор — обратный направляющий аппарат и является ступенью центробежного компрессора.

Рис. 9. Схема промежуточной и концевой ступеней центробежного компрессора

В центробежных компрессорах создание напора и перемещение газов производятся при воздействии лопаток вращающегося колеса на частицы газа, находящиеся в корпусе машины. В процессе вращения колеса и перемещения газа от центра к периферии (улитке) колеса происходит процесс сжатия, т. Е. процесс непрерывного изменения термодинамических параметров состояния р и Т.

Для охлаждения газа предусмотрено внутреннее и внешнее охлаждение. При внешнем охлаждении газ, прежде чем попасть дает в следующую ступень, проходит через холодильник, а при внутреннем охлаждении корпус холодильника имеет «рубашку», через которую прокачивается охлаждающая вода.

Регулирование работы центробежных компрессоров осуществляется различными способами, в том числе изменением частоты вращения ротора, дросселированием газа на стороне всасывания и др.

Изначально простая конструкция центробежного компрессора обеспечивает надежную его эксплуатацию в течение долгого времени при минимальном техническом обслуживании. Центробежные компрессоры снабжают наиболее важные отрасли промышленности по всему миру высококачественным сжатым воздухом без содержания масла. Удовлетворяя потребности конкретного предприятия, компрессоры данного класса обеспечивают высокую производительность и превосходные характеристики с точки зрения системы управления в целях экономии электроэнергии. Центробежные компрессоры в основном используют в наземных газотурбинных двигателях (ГТД) и силовых установках, а так же в различных газоперекачивающих системах, системах вентиляции, всевозможных нагнетателях газа или воздуха.[3]

Ротационные компрессоры

После поршневых компрессоров наиболее распространенным типом компрессора является ротационный компрессор. Ротационный компрессор имеет ту же зависимость между подачей воздуха и давлением, что и поршневой, однако в поршневом компрессоре воздух сжимается в цилиндре поршнем, совершающим возвратно-поступательное движение с переменной скоростью, а в ротационном компрессоре воздух сжимается пластинками в камерах, которые образуются между вращающимся с постоянной скоростью ротором и цилиндрическим корпусом компрессора.[7]  Наиболее распространенным видом ротационного типа компрессоров является пластинчатый компрессор, изображенный на рисунке 10.

Рис. 10. Ротационный пластинчатый компрессор

Газ поступает в компрессор через всасывающий патрубок 1. При вращении ротора 2 рабочие пластины 4 отбрасываются центробежной силой, выдвигаются из пазов б и скользят по поршневым кольцам 6. Сжатие газа происходит в отсе­ках а, ограниченных двумя пластинами и поверхностями ротора и корпуса 3. Как видно из схемы, в этом случае при вращении ротора пластины вдвигаются в его пазы, обеспечивая непрерывное уменьшение рабочего объема. В нагнетательный трубопровод сжатый газ поступает через патрубок 5. В зоне г пластины ; полностью утоплены в пазы ротора, который прижат к корпусу, что должно исключать прорыв газов со стороны нагнетания при всасывании. В ротационно-пластинчатых компрессорах предусмотрены водяные рубашки охлаждения в.[2]

Р отационные компрессоры имеют следующие преимущества [7]:

- большое число оборотов;- малые габаритные размеры;

- малый вес;

- равномерная подача воздуха;

- отсутствие клапанов.

К недостаткам ротационных компрессоров следует отнести:

-сложность изготовления, монтажа и ремонта;

- ограниченное количество марок, выпускаемых типоразмеров ротационных компрессоров;

- низкий к. п. д. и малый коэффициент подачи;

- частое снижение производительности компрессора ввиду нагара, образующегося на лопатках ротора;

- высокая конечная температура сжимаемого газа;

- большой расход смазки и подача в сеть замасленного воздуха;

- частые неполадки и аварии, в связи с чем

- непродолжительный срок службы.

Винтовые компрессоры

Винтовые компрессоры являются дальнейшей ступенью развития роторных компрессоров, сочетающих в себе положительные качества центробежных и поршневых машин. Винтовой компрессор двухроторный. Ведущий ротор может иметь трех- или четырехзаходную нарезку, ведомый - пяти- или шестизаходную. Имеются винтовые роторы, у которых ведущий и ведомый имеют трехзаходные нарезки. Форма профиля зуба сложная, выполнена по специальным циклоидальным кривым. Роторы при вращении взаимно не соприкасаются. Вращение ведомого ротора осуществляется самим перемещаемым газом. Синхронизирующие шестерни воспринимают лишь небольшую долю крутящего момента, поэтому в таких компрессорах практически отсутствует износ корпуса и роторов.[9]

. Схема винтового компрессора показана на рис.11. Он имеет ведущий вал 1 и ведомый вал 2, на которых выполнены винтовые тела 3 и4.

Рис.11. Винтовой компрессор

На шейку 5 ведущего вала напрессовывается полумуфта, сочлененная с полумуфтой электродвигателя. На шейки 6 обоих валов напрессовываются шестерни для передачи вращения от вала 1 к валу 2. Винты компрессора не касаются друг друга и корпуса цилиндра 7. Поверхности 8 опираются на подшипники скольжения. Лабиринтовые уплотнения 9 и 10 препятствуют проникновению масла подшипников в цилиндр. Атмосферный воздух или пары холодильного агента через патрубок 11 наполняют кольцевую полость 12.

Из этой полости впадины винтов заполняются воздухом или парами. Затем в эти впадины входят выступы винтов и гонят среду влево, при этом её объем уменьшается, а давление возрастает. Через патрубок 13 сжатая среда вытесняется по назначению.

Таким образом, с одновременным перемещением газа вдоль оси компрессора осуществляется и его сжатие.

Достоинства винтовых компрессоров

• Длительный ресурс работы;

• высокая надежность;

• простота монтажа и подключения;

• возможность непрерывного круглосуточного функционирования;

• низкий уровень шума;

• наличие системы автоматического управления;

• сравнительно небольшие эксплуатационные затраты.

Однако конечное давление в современных ротационных компрессорах не превышает 1,2 МН/м², что несколько ограничивает диапазон их применения. Кроме того, большие потери на трение и в связи с этим повышенный износ в ротационных компрессорах некоторых типов приводят к определенным труд­ностям в организации их ремонта: небольшие сроки межремонтного пробега, необходимость наличия запасных деталей и т. д.

Несмотря на это, ротационные компрессоры находят все более широкое применение в технологиях нефтехимических, химических и газовых произ­водств, в холодильном деле и вакуумной технике.