Ротационные компрессоры

Рассмотрим несколько наиболее распространенных ти­пов ротационных компрессоров, к которым можно отнес­ти: пластинчатые, водокольцевые, восьмерочные и вин­товые.

Рис. 61. Схема пластинчатого компрессора

Пластинчатые компрессоры получили достаточно ши­рокое распространение в различных областях промыш­ленности. Схема ротационного пластинчатого компрес­сора представлена на рис. 61. Он состоит из ротора 1, вставленного эксцентрично внутрь корпуса (статора) 2, вследствие чего вокруг ротора Образуется серповидное пространство S-S. В роторе выполнены радиальное прорези, в которые свободно вставляются стальные пластины (шиберы) 3. При вращении ротора пластины под действием центробежной силы инерции выходят из прорезей и скользят своей внешней кромкой по внутренней поверхности корпуса. Серповидное пространство при этом делится на замкнутые объемы 4, в которых газ переносится из области всасывания в область нагне­тания. Такая схема компрессора обладает хорошей ди­намической уравновешенностью, позволяет сообщить ротору высокую частоту вращения и соединить машину непосредственно с электродвигателем с частотой враще­ния до 1500 об/мин. Поскольку при работе компрессора выделяется большое количество теплоты, при степенях сжатия выше 1,5, корпус компрессора изготовляют с вы­сокой рубашкой охлаждения 5. Степень сжатия таких компрессоров достигает 5-6. При необходимости полу­чения большей степени сжатия устанавливают два комп­рессора последовательно с промежуточным холодильни­ком между ними.

Пластинчатые компрессоры могут быть использованы для получения вакуума. В этом случае они называются вакуум-насосами. Работая в качестве вакуум-насоса, компрессор может давать разрежение до 95%, а при последовательной установке двух компрессоров вакуум достигает 99%.

Если ротор диаметром Dимеет Z пластин толщи­ной d, то при эксцентриситете е и частоте вращения ро­тора nполучаем подачу компрессора в виде

,

где - коэффициент подачи, лежащий в пределах 0,5-0,8 и за­висящий от степени сжатия компрессора.

Из приведенного следует, что подача пластического компрессора зависит от частоты вращения привода. От­сюда следует один из методов регулирования подачи компрессоров - изменение частоты вращения. Однако следует иметь в виду, что нижний предел регулирова­ния частоты вращения составляет около 50% номинала. Это связано с уменьшением центробежной силы инер­ции, под действием которой происходит выход пластин из пазов, а также негерметичностью прилегания пластин к ротору. Предел повышения частоты вращения опреде­ляется износом пластин и нагревом компрессора. Изменение подачи компрессора может достигаться перепус­ком сжатого газа во всасывающий трубопровод и перио­дическими остановками компрессора.

Пластинчатые компрессоры находят широкое приме­нение в качестве дутьевых машин в кузнечных и терми­ческих цехах, как компрессионные агрегаты холодиль­ных установок, и при сжатии газов в технологических процессах химических производств.

Водокольцевые компрессоры также достаточно ши­роко используются в различных отраслях промышлен­ности, где необходимо подавать воздух или технический газ. Сравнительно простое устройство и безотказность в работе обусловили применение этих машин во многих областях производства вместо поршневых и ротацион­ных со скользящими пластинами.

Достоинством водокольцевых компрессоров является отсутствие клапанов и распределительных механизмов, поэтому они пригодны для сжатия запыленных газов. Рассмотрим принцип работы водокольцевого компрессо­ра. Рабочее колесо А слопатками, неподвижными отно­сительно колеса, вставлено в корпус В (рис. 62) с неко­торым эксцентриситетом. При вращении рабочего коле­са жидкостное кольцо образует свободную поверхность С, которая точно касается втулки колеса. Рабочие про­странства 1 - 4возрастают, в результате чего через от­верстие Е происходит всасывание газа. Во второй по­ловине рабочего объема пространства 5 - 8уменьша­ются, происходит сжатие газа и выталкивание его через нагнетательное отверстие Р. Роль корпуса в таком комп­рессоре выполняет жидкостное кольцо, в которое погру­жаются лопатки вращающегося ротора.

Действительное количество газа, подаваемое комп­рессором, будет меньше вследствие того, что сжатие газа в рабочем объеме осуществляется жидкостным кольцом. Когда происходит сжатие, давление с одной стороны жидкостного кольца будет больше, а толщина кольца в этой части - меньше.

Рис. 62. Схема водокольцевого компрессора

При этом давление столба жидкости на стенку корпуса (плюс давление газа на внутреннюю часть кольца) уравновешивается с другой его стороны большей толщиной вращающегося жидкостного кольца. Поэтому кольцо жидкости не яв­ляется телом вращения: там, где газ всасывается, оно толще.

Водокольцевые машины работают как компрессоры довольно редко и рассчитываются на сравнительно не­высокие давления около 10⁵ Па. Основное назначение этих машин - создание вакуума. Одноступенчатые водокольцевые компрессоры (вакуум-насосы) создают разряжение до 98 %.

Подача компрессора и создаваемое им разряжение зависят от качества выполнения и величины зазоров между торцовыми поверхностями колеса и корпуса, где расположены всасывающие и нагнетательные отверстия. Для улучшения коэффициента подачи процесс всасыва­ния целесообразно растягивать во времени. С этой целью размер всасывающего отверстия удлиняют почти на половину окружности. Процесс нагнетания, наоборот, следует укорачивать по сравнению с процессом всасы­вания в зависимости от давления нагнетания.

Водяное кольцо в процессе работы нагревается, поэтому необходима замена воды. В некоторых уста­новках свежая вода к нагнетателю подводится путем присоединения его к водопроводу, а отработавшая вода отводится в канализацию. Расход охлаждающей воды на 1 кВт мощности на валу машины примерно равен 5-7 л/мин.

Если насос с жидкостным кольцом тщательно изго­товлен и применены соответствующие жидкости, то соз­даваемый им вакуум может быть настолько высоким, что насос становится пригодным для получения разря­жения в электро- и радиолампах, ртутных выпрямителях и т. п.

Одноступенчатые вакуум-насосы с масляным коль­цом, размещенные в закрытой ванне масляной герметичности, развивают вакуум до 99,98 %. Два насоса, соеди­ненных последовательно, создают вакуум до 99,999 %.

К машинам с восьмерочными роторами относится компрессор, изображенный на рис. 63. Он состоит из корпуса 1 эллиптической формы, снабженного всасы­вающим 3 и нагнетательным 6 патрубками. В корпусе симметрично горизонтальной оси расположены два ро­тора 5, имеющие форму восьмерок. Роторы жестко свя­заны с валами и вращаются с равными угловыми ско­ростями, но в противоположные стороны.

Рис. 63. Схема восьмерочного компрессора

Положение восьмерок на рис. 63 соответствует мо­менту всасывания газа в полость 2 между правым ро­тором и стенкой корпуса. Всасывание прекратится в тот момент, когда правый ротор займет вертикальное по­ложение. Левый ротор в это время расположится пер­пендикулярно правому, т. е. примет горизонтальное по­ложение. При дальнейшем вращении правого ротора по стрелке полость 2 сообщается с нагнетательным про­странством 7 и полостью 4 между левым ротором и стенкой корпуса. Тогда сжатый газ из пространства 7 переходит в полость 4, сжимая находящийся там газ, только что поданный левым ротором, и повышая его давление. Когда же левый ротор, вращаясь по часовой стрелке, займет вертикальное положение, начнется вы­талкивание сжатого газа. Таким образом, когда в по­лости 2 идет всасывание газа, в нагнетательном про­странстве 7 и полости 4 происходит сжатие газа и его выталкивание.

Рис. 64. Теоретическая диаграмма восьмерочного компрессора

Теоретическая диаграмма процесса, происходящего в этом компрессоре, изображена на рис. 64. На диа­грамме: аb - линия всасывания; cd - линия нагнета­ния; bс - линия выравнивания давления, повышение ко­торого предполагается мгновенным; be - линия сжатия газа в случае работы поршневого компрессора; dа - линия падения давления после выталкивания газа.

Сравнивая диаграммы поршневого компрессора и рассмотренной машины, видим, что заштрихованная часть является работой, которая теряется при сжатии в восьмерочном компрессоре. На диаграмме площадь аbеdпредставляет собой работу, необходимую для сжа­тия газа, вошедшего во всасывающую полость, а пло­щадь аbсd - работу, требуемую для сжатия всего газа, находящегося в полости сжатия.

Компрессоры восьмерочного типа с давлением нагне­тания 4-10⁵ Па применяются для питания сталеплавиль­ных конвертеров, для продувки двигателей внутреннего сгорания и т. п. Машины с более низким давлением около 10⁴ Па служат для подачи воздуха в вагранки и для пневмотранспорта.

Винтовая компрессионнаямашина имеет два ротора 1 (рис. 65) с параллельными осями, вращающихся с небольшими зазорами в корпусе 2 и связанных между собой парой шестерен 3.

Рис. 65. Разрез винтового компрессора

Роторы винтового компрессора представляют собой цилиндрические шестерни с малым числом винтовых зубьев. Зацепление зубьев циклоидальное точечное, при этом у одного из роторов зубья лежат целиком вне на­чальной окружности и имеют выпуклый профиль, а у другого - внутри начальной окружности и имеют вог­нутый профиль. Подвод и отвод газа про­изводится через окна на двух противоположных углах корпуса, так что газ проходит через компрессор в диа­гональном направлении. При вращении роторов газ в полостях, ограниченных поверхностями роторов, корпуса и линией соприкосновения роторов, переме­щается в осевом направлении со стороны всасывания к стороне нагнетания. Сначала эти полости сообщают­ся с всасывающим окном и заполняются газом. Затем это окно закрывается и линия соприкосновения рото­ров, отделяющая замкнутую в полостях порцию газа от следующей всасываемой порции, перемещается в осевом направлении к нагнетательному отверстию, ко­торое в определенный момент открывается и в котором происходит выталкивание газа.

Винтовые компрессоры работают с частотой враще­ния 1000-10000 об/мин. Благодаря большой частоте вращения эти компрессоры получаются сравнительно легкими и компактными. Подача винтовых компрессо­ров лежит в пределах 0,5-300 м³/мин. При избыточных давлениях выше 2-10⁵ Па винтовые компрессоры имеют КПД больше КПД машин других типов. На давление 7-10⁵ Па и выше компрессоры выполняются двухступен­чатыми.

Винтовые компрессоры аналогичны центробежным машинам, они также не загрязняют сжимаемого газа смазочным маслом (смазка роторов отсутствует) и ра­ботают вполне устойчиво. Винтовые компрессоры нахо­дят широкое применение в различных областях техни­ки, особенно там, где необходимо иметь компактную установку с большой подачей.

Литература

1. Поляков, В.В. Насосы и вентиляторы / В.В. Поляков, Л.С. Скворцов. – М.: Стройиздат, 1990. 335с.

2. Бромлей, М.Ф. Гидравлические машины и холодильные установки / М.Ф. Бромлей. – М.: Стройиздат, 1971, 259с.

3. Программа дисциплины «Насосы и вентиляторы (нагнетатели)» – М.: МИСИ им. В.В.Куйбышева, 1989, с.5.

4. Калинушкин, М.П. Вентиляторные установки / М.П. Калинушкин. – М.: Высшая школа, 1979, 222с.

5. Калинушкин, М.Н. Гидравлические машины и холодильные установки / М.Н. Калинушкин. – М.: Издательство литературы по строительству, 1965, с.

6. Каменев, П.Н. Гидроэлеваторы в строительстве / П.Н. Каменев. – М.: Стройиздат, 1964, с.

7. Пеклов, А.А. Гидравлические машины и холодильные ус­тановки / А.А. Пеклов. – Киев: Вища школа, 1971, 274с.

8. Справочник проектировщика, ч.I. Отопление, водопровод и канализация / под ред. М.Г. Староверова. – М.:Стройиздат, 1976, 429с.

9. Справочник проектировщика, ч.II. Вентиляция и кондиционирование воздуха / под ред. М.Г. Староверова. – М.: Стройиздат, 1978, 509с.

10. Черкасский, В.М. Насосы, компрессоры, вентиляторы / В.М. Черкасский, Т.М. Романова, Р.А. Рауль. – М.: Энергия, 1968, с.

11. Внутренние санитарно-технические устройства. В 3 ч. Ч.3. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Кн. 2 / Б.В. Баркалов, Н.Н. Павлов, С.С. Амирджанов и др.; Под ред. Н.Н.Павлова и Ю.И. Шиллера. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1992.- 416 с.: ил.- (Справочник проектировщика).

12. Внутренние санитарно-технические устройства. В 3 ч. Ч.3. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Кн.1 / В.Н. Богословский, А.И. Пирумов, В.Н. Посохин и др.; Под ред. Н.Н. Павлова и Ю.И. Шиллера. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1992.- 319 с.: ил.- (Справочник проектировщика).

13. Вахвахов, Г.Г. Работа вентилятора в сети / Г.Г. Вахвахов. – М.: Стройиздат, 1975. с.104.