§ 14.1. ПОРШНЕВЫЕ КОМПРЕССОРЫ. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, УСТРОЙСТВО, КЛАССИФИКАЦИЯ

Принцип действия поршневых компрессоров и насосов в основном одинаков: при возвратно - поступательном движении поршней или плунжеров происходит циклическое наполнение рабочих камер и выталкивание из них порций перекачиваемой среды.

Процесс повышения давления газа, как и в динамических компрессорах, может осуществляться последовательно в нескольких камерах многоступенчатого компрессора, прерываясь для промежуточного охлаждения.

По способу передачи движения рабочим органам поршневые компрессоры подразделяются на две группы: с механизмом движения (преимущественно кривошипно­шатунным) и свободно-поршневые. В свою очередь компрессоры первой группы можно разде­лить на обособленные и моноблочные.

Обособленный компрессор предназначен для привода от двигателя любого типа, соединенного непосредственно или через трансмиссию. Моноблочный компрессор с электрическим приводом отличается от обособленного тем, что ротор электродвигателя служит маховиком компрессора. Для этой цели предназначены двигатели, в которых статор и ротор меняются местами: наиболее массивная кольцевая часть электродвигателя служит ротором, а центральная - статором. В целях удешевления производства компрессоров их выпускают с унифицированными базами, представляющими собой совокупность нормализованных механизмов движения, систем его смазки, а для моноблочных машин - также и привода. Модификации компрессоров с одной базой, рассчитанные на различные давления и объемные расходы газа на входе, имеющие одинаковую мощность и длину хода поршней, различаются размерами цилиндров и числом ступеней сжатия. Унификация выгодна и для эксплуатации машин, так как упрощаются их обслуживание и ремонт.

На рис. 14.1 приведен двухступенчатый компрессор завода «Борец» с унифицированной базой, которая состоит из станины, коленчатого вала с коренными подшипниками, шатунов,

крейцкопфов, промежуточного холодильника, а также системы смазки и некоторых других частей машины. Цилиндр первой ступени большего диаметра расположен вертикально, а цилиндр второй ступени - горизонтально, причем нагнетательная линия направлена вниз, а не вверх, как в поршневых насосах, что необходимо здесь для удаления из цилиндра возможного конденсата. Цилиндры и крышки цилиндров имеют полости для циркуляции в них охлаждающей воды. Уплотнения поршневых штоков выполнены съёмными.

Рис. 14.1. Поршневой компрессор:

1 - станина; 2 - коленчатый вал; 3 - противовесы коленчатого вала; 4 - шатун;

5 - крейцкопф; 6 - направляющие крейцкопфа; 7 - цилиндр первой ступени;

8 - цилиндр второй ступени; 9 - поршень первой ступени; 10 - поршень второй ступени; 11 - клапан всасывающий; 12 - клапан нагнетательный;

13 - сальник; 14 - промежуточный холодильник; 15 - дополнительная полость;

16 - присоединительный клапан; 17 - маховик

В поршневых компрессорах используют различные средства регулирования объемного расхода газа на входе (см. гл. Применение компрессоров). Одно из этих средств - искусственное увеличение «мёртвого» пространства в цилиндре. На рис. 14.1 видно, что в крышке цилиндра первой ступени устроена дополнительная полость, присоединяемая к основной с помощью клапана пневматического действия.

Смазка цилиндров минеральным маслом часто нежелательна или недопустима поразличным причинам, в частности, если масло загрязняет перекачиваемый газ или вступает с ним в реакцию (кислород, хлор и др.), или если газ растворяется в масле и ухудшает его свойства, либо выделяет конденсат, смывающий масло со стенок цилиндра.

При высоких температурах компрессорное масло разлагается и вызывает опасность взрыва (см. гл. 16 Ступенчатое сжатие газа в поршневом компрессоре).

Поэтому созданы компрессоры, не нуждающиеся в смазке цилиндров и сальников. Имеются три разновидности таких машин: с уплотняющими элементами поршня и сальников, не нуждающимися в смазке; с лабиринтным уплотнением; мембранные компрессоры.

3

Рис.14.2. Схема мембранного компрессора:

1 - мембрана; 2 - крышка; 3 - опорная плита;

S - длина хода поршня

В мембранном компрессоре рабочая камера разделена мембраной, зажатой по контуру между крышкой и опорной плитой (рис. 14.2). Клапаны расположены в крышке. Объемный расход газа на входе у таких компрессоров небольшой (менее 2 м³/мин), но степень повышения давления в одной ступени очень высокая (εдо 25). Поэтому их обычно используют в качестве дожимных после предварительного сжатия газа компрессорами других видов.

Компрессоры с кривошипно-шатунным механизмом, обособленные от двигателя, различаются по типам. Тип определяется расположением осей цилиндров в пространстве - вертикальным, горизонтальным, угловым. К угловому типу относят машины с вертикально­горизонтальным (прямоугольный тип П) и с наклонным расположением цилиндров (ν'- образные, веерообразные).

Каждый тип компрессоров имеет свои достоинства. Горизонтальный компрессор удобен для обслуживания и скрытого размещения аппаратуры и трубопроводов под машиной; демонтаж коренного вала и шатуна проводится легче, чем в компрессорах

других типов. Эти преимущества особенно важны для крупных ^{[XXVIII] *}стационарных компрессоров. Угловой тип - наилучший для компрессоров небольших размеров, в том числе предназначенных для передвижных компрессорных установок. Коленчатый вал таких компрессоров может быть уложен на подшипниках качения. При наклонном расположении цилиндров угловой компрессор компактен и удобен для монтажа.

Компрессоры одного типа различаются числом рядов цилиндров (равным числу шатунов), расположением цилиндров и ступеней, конструкцией кривошипно-шатунного механизма, который может быть крейцкопфным или бескрейцкопфным. Это - признаки схемы компрессора , которая предопределяет конструкцию машины, ее массу, габариты и стоимость, а также экономичность в эксплуатации, надежность, удобство обслуживания и ремонта.

Различие требований, предъявляемых к компрессорам в зависимости от их назначения, отражено в разнообразии применяемых схем. Некоторые из них показаны на рис. 14.3. Уравнительная полость в отличие от рабочих камер не имеет клапанов и находится под действием постоянного давления газа для уменьшения усилия в поршневом штоке.

Бескрейцкопфные компрессоры (а - д) просты по конструкции и компактны, вследствие чего их применяют в передвижных установках. В крупных компрессорах сказываются недостатки этой схемы: пониженный механический к. п. д., большие утечки газа через поршневые кольца, повышенный унос масла из картера и насыщение им сжимаемого газа, неэффективное использование объема цилиндра (поршни одностороннего действия). Указанные недостатки устранены в схеме с крейцкопфом (е - к).

В схеме и со встречным движением поршней (оппозитный компрессор) колена вала каждой пары противолежащих рядов компрессора взаимно смещены на 180°.

Здесь полностью уравновешены силы инерции поступательно движущихся масс, силы давления газа на поршни противоположны по направлению, вследствие чего коренные подшипники оказываются разгруженными. Тем самым уменьшается работа сил трения, а, следовательно, и износ подшипников и коренных шеек вала.

Поскольку оппозитные компрессоры хорошо динамически уравновешены, частота вращения вала их более высокая.

На рис. 14.3, к изображена схема так называемого дифференциального блока поршней, применяемого в многоступенчатых компрессорах. Он удобен тем, что позволяет уменьшить число сальников и длину ряда цилиндров. Камеру с высоким давлением для снижения утечек газа через уплотнение поршня меньшего диаметра обычно располагают в торце блока.

Рис. 14.3. Схемы поршневых компрессоров:

I, II, III, IV,V - ступени сжатия; Ур - уравнительная полость

Для перекачивания попутных нефтяных и природных газов широко применяют моноблочные компрессоры с газовым ДВС - газомотокомпрессоры. Унифицированной базой компрессора здесь служит многоцилиндровый газовый двигатель с несколькими механизмами передачи движения к поршням компрессора (компрессорными отводами).

Свободно-поршневой

компрессор - агрегат, в котором мощность отцилиндра двигателя к цилиндрам компрессора передается без промежуточного механизма, благодаря чему компрессорная установка становится компактной, а к. п. д. увеличивается.

Принцип действия компрессора можно изучить по схеме одноступенчатого дизель - компрессора (СПДК) (рис. 14.4). Давление газов, расширяющихся в цилиндре 1 двухтактного дизеля, сообщает движение двум противоположно расположенным поршням 2,синхронно перемещающимся к внешним мёртвым точкам (крайним положениям механизма). По мере сжатия газа в цилиндрах компрессора противодействие поршням возрастает. При некотором их положении силы давления сжатого газа превышают движущие силы дизеля, уменьшающиеся по ходу поршней.

Поршни останавливаются, а затем под давлением газа, оставшегося в «мёртвых» пространствах 3цилиндров компрессора, происходит возврат поршней к внутренним мёртвым точкам. Каждая из полостей 4цилиндра служит продувочным насосом дизеля. Для синхронизации движения поршней дизель - компрессор снабжён особыми механизмами, размещёнными по бокам дизеля. Компрессор запускается сжатым воздухом. Свободно - поршневой компрессор хорошо уравновешен, благодаря чему не нуждается в фундаменте, - качество, особенно ценное для портативных установок, применяемых в северных районах, а также на морских месторождениях нефти и газа.

Рис. 14.4. Свободно - поршневой дизель - компрессор (СПДК)