Поршневые компрессоры

По принципу действия (т. е. по способу сообщения энергии) компрессоры разделяют на объемные и дина­мические.

В объемных компрессорах давление газа повышает­ся вследствие уменьшения пространства, в котором на­ходится газ; в идеальном случае это пространство яв­ляется абсолютно герметичным и никаких утечек в процессе повышения давления не происходит. К объем­ным компрессорам относятся поршневые, мембранные и роторные. Последние в свою очередь подразделя­ются на пластические, жидкостно-кольцевые и винто­вые.

К динамическимотносятся центробежные и осевые компрессоры. В них давление повышается при непре­рывном движении газа через проточную часть машины за счет энергии, которую сообщают частичкам газа ло­патки вращающегося ротора. При этом кинетическая энергия преобразуется в работу сил давления.

Все компрессоры независимо от принципа действия подразделяются по основным эксплуатационным пара­метрам - давлению и подаче. Компрессоры, сжимаю­щие газ до избыточного давления 0,2-1,0 МПа, назы­вают компрессорами низкого давления, до давления 1,0-10,0 МПа - среднего и до давления 10-100 МПа - компрессорами высокого давления.

К компрессорам предъявляются в основном такие же требования, как и ко всем другим изделиям маши­ностроения. Компрессор должен быть надежным и эко­номичным в эксплуатации, прост в монтаже и обслужи­вании, технологичен в изготовлении; показатели, харак­теризующие его металлоемкость и энергопотребление, должны быть минимально возможными. Очевидно, что обеспечить в равной степени выполнение всех этих тре­бований в одной конструкции практически невозможно. Поэтому каждый тип компрессора имеет свои достоин­ства и недостатки по сравнению с другими, и выбор ти­па и конструкции зависит от конкретных условий.

У поршневых компрессоров проблемы достижения высоких давлений не существует. Но для повышения по­дачи необходимо увеличивать размеры цилиндра и всех других узлов компрессора. При этом увеличивается мас­са узлов, совершающих возвратно-поступательное движение, и соответственно действующие на них силы инерции. Поэтому при увеличении габаритов поршне­вых компрессоров приходится снижать скорость движе­ния поршня.

При движении поршня вниз давление в пространстве между цилиндром и поршнем становится меньше, чем во всасывающем патрубке, всасывающий клапан открыва­ется и газ попадает в цилиндр. Когда поршень достигает крайнего нижнего положения, давление в цилиндре и всасывающем трубопроводе практически выравнива­ется и клапан под действием пружины прижимается к седлу и перекрывает отверстие, соединяющее полость цилиндра со всасывающим трубопроводом. В течение всего периода всасывания отверстие нагнетательного клапана закрыто.

При движении поршня вверх происходит сжатие га­за, находящегося в цилиндре, и когда давление его ста­нет больше давления в нагнетательном трубопроводе, нагнетательный клапан откроется и газ вытолкнется из цилиндра. Процессы всасывания и нагнетания, совер­шаемые за один оборот коленчатого вала, составляют полный цикл работы компрессора.

Компрессор описанной выше конструкции называет­ся одноступенчатым компрессором простого действия. Очевидным недостатком такого компрессора является то, что его поршень имеет одну рабочую сторону, и по­лезная работа совершается только при движении порш­ня в одном направлении.

Более экономичной и производительной является конструкция компрессора так называемого двойного дей­ствия (рис. 54). Компрессор двойного действия рабо­тает следующим образом. Когда поршень движется вправо, в левой части цилиндра создается разрежение и газ через левый всасывающий клапан поступает в ци­линдр. В это же время в правой части цилиндра про­исходит сжатие газа, вошедшего в рабочее простран­ство в предыдущем цикле, и выталкивание его через правый нагнетательный клапан в нагнетательный тру­бопровод. При движении поршня влево всасывание про­исходит через правый всасывающий клапан, а выталки­вание сжатого газа - через левый нагнетательный кла­пан. В этом случае обе стороны поршня являются рабо­чими.

Компрессоры простого и двойного действия могут иметь один или несколько цилиндров. Компрессор, ко­торый имеет несколько цилиндров, работающих парал­лельно и выталкивающих сжатый газ в один и тот же нагнетательный коллектор, называется многоцилиндро­вым одноступенчатым компрессором.

Если в компрессоре несколько цилиндров работают последовательно, т. е. сжатый воздух из одного ци­линдра поступает для дальнейшего сжатия в следующий, то такой компрессор называется многоступенча­тым. Если же в каждой рабочей полости компрессора давление повышается от давления во всасывающей по­лости до давления в нагнетательном трубопроводе, то независимо от числа цилиндров и рабочих полостей та­кой компрессор является одноступенчатым.

Рис. 54. Схема горизонтального одноступенчатого компрессора двойного действия: 1 - цилиндр; 2 - поршень; 3 - нагнетательный патрубок; 4 - нагнетатель­ный клапан; 5 - задняя крышка цилиндра; 6 - сальник; 7 - шток; 8 - крейц­копф; 9 - шатун; 10 - кривошип коленчатого вала; 11 - коленчатый вал; 12 - станина; 13 - рубашка для охлаждения задней крышки, 14 - всасываю­щий патрубок; 15 - всасывающие клапаны; 16 - передняя крышка цилинд­ра; 17 - рубашка передней крышки; 18 - рубашка для охлаждения ци­линдра

Рассмотрим работу механизма движения компрессо­ра, под действием которого поршень совершает возврат­но-поступательное движение (рис. 54). Шатун служит для передачи движения от кривошипа коленча­того вала, при этом вращательное движение вала пре­образуется в возвратно-поступательное.

Крейцкопф - деталь, скользящая в прямолинейных направляющих, жестко связанная со штоком и шарнирно с шатуном. Крейцкопф передает продольное усиление на шток, а поперечное - на направляющие. В бескрейцкопфных компрессорах движение от вала поршню передается шатуном. Шток служит для соединения поршня с крейцкопфом.

Схема поршневых компрессоров зависит от его наз­начения условий эксплуатации, производительности, ко­нечного давления, числа ступеней и распределения давления между ними. От схемы в значительной степени зависят габариты, масса и динамическая уравновешенность машины.

Схема компрессора характеризуется следующими основными элементами: числом ступеней, кратностью подачи расположением осей цилиндров, расположением цилиндров, конструкцией механизма движения.

По расположению осей цилиндров компрессоры мож­но разделить на три основные группы: вертикальные, горизонтальные и угловые.

В вертикальных компрессорах элементы поршневого уплотнения работают в лучших условиях, чем в гори­зонтальных. Это объясняется тем, что смазка, поступающая в цилиндр, равномерно распределяется по всей рабочей поверхности, а попадающие вместе с ней или газом твердые частицы оседают в основном не на цилиндрической, а на торцевой поверхности поршня, которая не соприкасается с внутренней поверхностью цилиндра. Вследствие этого вертикальные компрессоры имеют меньший износ и лучшую герметичность уплотнений.

Силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс в вертикальных компрессорах действуют на фундамент вертикально. Это повышает устойчивость маши­ны и позволяет устраивать более легкие фундаменты. Отмеченные преимущества позволяют делать вертикаль­ные компрессоры быстроходными.

Горизонтальные компрессоры лишены преимуществ вертикальных машин, однако их обслуживание более удобно.

Наиболее совершенными в отношении динамической устойчивости являются угловые компрессоры. Их можно выполнять высокооборотными на менее тяжелых фун­даментах.

Перечисленные особенности поршневых компрессо­ров предопределяют в основном области их практиче­ского применения. Вертикальная схема наиболее целе­сообразна для высокооборотных компрессоров с малым числом ступеней. Горизонтальная схема применяется в основном для относительно тихоходных стационарных компрессоров большой производительности. Угловая схема часто применяется для передвижных компрессор­ных установок.

По числу рядов цилиндров компрессоры подразде­ляются на однорядные и многорядные. Число рядов цилиндров в компрессоре определяется в основном рас­положением осей цилиндров, число ступеней - произво­дительностью и давлением, развиваемым машиной.

Основное преимущество однорядных компрессоров заключается в их простоте. Многорядные горизонталь­ные компрессоры выполняются в большинстве случаев по однорядной или двухрядной схеме. Компрессоры, имеющие более пяти ступеней, выполняются, как пра­вило, двухрядными.