Поршневые компрессоры

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

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 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, называемые мертвыми, а соответственно положения поршня – мертвыми точками.

Положение поршня в момент его наибольшего удаления от вала называется верхней мертвой точкой (ВМТ), соответственно наименьшее удаление поршня – нижней мертвой точкой (НМТ). Поршень может работать одной стороной (а) или двумя сторонами (б) (рис.10). Поэтому различают поршневые компрессоры двух типов: одностороннего и двухстороннего действия.

При движении поршня от крайнего левого положения в цилиндре создается разряжение. Под действием разности давлений всасывающий клапан 5 открывается, и газ поступает в цилиндр. Процесс всасывания заканчивается при достижении поршнем НМТ.

При движении поршня к ВМТ повышается давление в цилиндре и 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 к ВМТ. Объем газа в цилиндре компрессора в этот момент минимальный – это мертвый объем.

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).

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. 3). 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. 3).

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.

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.

Мертвое пространство необходимо для исключения удара поршня о крышку из-за температурных деформаций деталей механизма движения и штока или при избытке смазки.

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

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 не должна превышать 453 К. Графическая зависимость давления газа в цилиндре компрессора от положения поршня за оборот вала называется индикаторной диаграммой.

В теоретическом или идеальном компрессоре предлагается сжатие воздуха по изоэнтропе, отсутствие сопротивлений всасывающих и нагнетательных клапанов, трубопроводов, а также 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.

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.