<<
>>

§ 17.6. ВИНТОВЫЕ КОМПРЕССОРЫ

Рис. 17.5. Винтовой компрессор с охлаждаемым корпусом:

1 - корпус, 2 - ведущий ротор, 3 - ведомый ротор, 4 - упорные подшипники,

5, 6- опорные подшипники, 7, 8- шестерни связи, 9- уплотнения, 10- полости

для охлаждения

Винтовые компрессоры - двухроторные (реже трёхроторнве) машины, выполненные в виде винтовой зубчатой передачи с большим углом подъёма (рис.

17.5). Торцы винтов повёрнуты относительно друг друга на углы τ1и τ2. Условие зацепления винтов:

Т1Г1= - Т2Г2,

где z1 и z2 - число зубьев соответственно ведущего и ведомого роторов.

Между соседними зубьями каждого винта образуются полости, ограниченные в радиальном направлении цилиндрическими, а по длине - торцовыми поверхностями расточек в корпусе. При зацеплении винтов каждая полость в различной степени (в зависимости от углового положения) заполняется зубьями соседнего ротора, причём линия контакта зубьев разделяет полость на две части.[XXXVI] Одна из них (нижняя) сообщается с областью всасывания через окно, расположенное внизу переднего торца, а вторая (верхняя) может сообщаться с нагнетательным окном, которое расположено на задней торцовой плоскости, а также на цилиндрических поверхностях расточек корпуса под винты.

Последовательность рабочего процесса в компрессоре показана на рис.17.6.

Рис. 17.6. Последовательность рабочего процесса

в компрессоре:

а — всасывание, б - сжатие, в - окончание сжатия,

г - выталкивание газа

При вращении винтов объём нижней части полости увеличивается, благодаря чему обеспечивается всасывание газа, а объём верхней части уменьшается, вследствие чего сначала происходит сжатие газа, а затем выталкивание (когда у заднего торца данная полость достигает нагнетательного окна).

В момент, когда зуб ведомого ротора начинает входить в полость П ведущего ротора (рис.17.7, а), объём её начинает сокращаться. Вначале темп сокращения очень невысокий, поэтому отсечку полости от всасывающего окна по кромке abc(рис.17.7, б) задерживают до тех пор,

пока в результате соединения впадин обоих винтов не начнёт образовываться парная^полость ∏1,2(чтобы не было потерь при соединении пространств с различными давлениями).

Рис. 17.7. Схемы взаимного расположения роторов и окон: а - в начале входа зуба в полость ведущего ротора; б - начало сжатия; в - конец сжатия; 1 - окно всасывания; 2 - нагнетательное окно

Начиная с этого положения, в сокращающейся изолированной полости ∏1,2 происходит сжатие до момента, когда задание сечения полости не достигнут кромок нагнетательного окна abи к1 (рис. 17.7, в). Степень сжатия, определяющая внутреннее повышение давление газа в полости, зависит от положения кромок нагнетательного окна по отношению к началу сжатия.

Профили зубьев подбираются с таким расчётом, чтобы при взаимной обкатке винтов их зубья сопрягались теоретически без зазора. Были исследованы различные зубья - симметричного и асимметричного профиля с циклоидальным, круговым и эллиптическим профилем, корригированные и без коррекции. Большинство заводов - изготовителей выпускает компрессоры с ц е в о ч н ы м зацеплением, т. е. таким, у которого круговой профиль зуба очерчен из центра, расположенного на делительной окружности винта (рис. 17.8, а). Достоинство кругового профиля - возможность

выполнить точную обработку зуба и иметь малые зазоры, что важно дляы достижения хорошей герметичности полостей. Недостатки - малое сечение впадины, ослабление зуба и острые грани у ведомого винта, негерметичность в осевом сечении.

Рис.

17.8. Профили роторов винтовых компрессоров:

а — с цевочным зацеплением; б - асимметричный; в - эллиптический

Применяются также зубья циклоидальной формы симметричной или асимметричной. Асимметричные профили составляются из ветвей различных кривых. Например, линии зуба и впадины со стороны низкого давления, где не требуется осевая герметичность, в основном круговые (bcи BCна рис. 17.8, б), в то время как со стороны высокого давления - трохоидные. Линия cdна ведущем зубе - эпициклоида, описанная точкой Dведомого винта при качении окружности радиуса rt2по окружности радиуса rt1. Участок CD- удлинённая эпициклоида, описанная точкой cведущего винта при качении окружности радиуса rt2по окружности радиуса rt1. Участок CD- удлинённая эпициклоида, описанная точкой cведущего винта при качении окружности радиуса rt1по окружности радиуса rt2.

Для типоразмерных рядов винтовых машин в нашей стране принят эллиптический профиль (рис. 17.8, в), обеспечивающий наилучшие показатели работы компрессора [13, стр. 334].

Винтовые компрессоры подразделяются на две группы:

1) с у х о г о с ж а т и я, в рабочее пространство которых не подаётся ни смазывающая, ни охлаждающая жидкость; охлаждение - обдувом корпуса или потоком воды или масла через рубашку корпуса и полые винты, подаваемый газ не содержит масла и продуктов износа деталей;

2) м о к р о г о с ж а т и я с впрыскиванием жидкости в полости компрессора с целью охлаждения и уплотнения; компрессор называется маслозаполненным, если

вводится значительное количество такой жидкости. В машинах мокрого сжатия после компрессора устанавливают отделители жидкости.

В компрессоре сухого сжатия так же, как в коловратном, зубья не соприкасаются благодаря шестерням связи, синхронизирующим движение винтов. Зазор между зубьями шестерён приблизительно в два раза меньше зазора между зубьями винтов, что исключает взаимное касание винтов при работе.

Зазоры обеспечивают свободное вращения винтов при деформации роторов под действием давления газа и изменения температуры, но должны быть минимальными для уменьшения перетеканий газа. Поэтому стремятся к тому, чтобы роторы были жёсткими. Жёсткость роторов, помимо соотношения диаметров и длины винта, зависит также от числа зубьев z1и z2.С их увеличением жёсткость возрастает, что позволяет увеличить отношение давления при тех же зазорах. Однако при этом объёмы впадин между зубьями уменьшаются, что приводит к снижению рабочего объёма компрессора. Оптимальное и наиболее распространённое сочетание зубьев z1 = 4 и z2= 6. В этом случае достиается равнопрочность роторов и появляется возможность выполнять их с одинаковым внешним диаметром D,что важно для технологии изготовления винтов.

Достоинство компрессоров сухого сжатия - нагнетание газа без загрязнения продуктами смазки. Недостатки - высокий уровень шума; сравнительно небольшое повышение давления в одной ступени (ε ≤ 4). Шум винтового компрессора вреден для здоровья главным образом вследствие высокой частоты звуковых колебаний (200 - 2000 Гц), что определяется числом зубьев и частотой вращения роторов. Звуковые колебания более высоких частот менее интенсивны. Для уменьшения шума винтовые компрессоры снабжают поглощающими и резонансными глушителями, укрывают звукоизолирующими кожухами.

Повышение давления в одной ступени ограничено тем же фактором, что и в поршневых машинах, - конечной температурой сжатия. Охлаждение корпуса водой в винтовом компрессоре малоэффективно, так как процесс сжатия газа проходит гораздо быстрее, чем в поршневом. Вместе с тем превышение определённой температуры при заданных зазорах не допустимо из-за опасности заклинивания роторов при температурных деформациях.

Для снижения температуры нагнетания и увеличения допустимого значения ε применяют впрыскивание воды или масла в компрессор. Масло обволакивает тонкой плёнкой винты и уменьшает сечения щелей.

Смазываемые винты могут

контактироаать, поэтому конструктивно маслозаполненный компрессор отличаетсятем, что в нём отсутствуют шестерни связи.

Концевые уплотнения машины упрощены. Поскольку уплотнение здесь осуществляется тем же маслом, которое подаётся в рабочую полость для охлаждения газа и в подшипники. Ненапряжённый температурный режим и большая жёсткость роторов (меньшее расстояние между подшипниками), достигаемая в результате упрощения узлов концевых уплотнений, позволяет в два раза уменьшить конструктивные зазоры и увеличить степень повышения давления в одной ступени до 9, а в отдельных случаях - до 17.

Несмотря на то, что впрыскивание масла приводит к увеличению газодинамических потерь, вследствие снижения интенсивности перетекания газа и приближения процесса сжатия к изотермическому энергетические показатели самого маслозаполненного компрессора выше, чем у компрессора сухого сжатия.

КПД винтового компрессора так же, как и компрессоров других типов, зависит от частоты вращения вала. Значение оптимальной окружной скорости винтов зависит от соотношения между потерями от внутренних перетеканий газа и газодинамическими потерями (рис. 17.9).

Рис. 17.9. Потери мощности (в % от адиабатической) в зависимости от окружной скорости:

1- от внутренних перетечек; 2 - газодинамические потери;

3 - суммарные потери

В маслозаполненных машинах при меньших зазорах и больших динамических потерях оптимальная скорость на 60 - 65 % снижается, вследствие чего, а также благодаря наличию жидкости в рабочей полости снижается уровень шума и его тональность, что позволяет отказаться от звукопоглошающих устройств. Таким

образом, в конструкции этой группы компрессоров устраняются основные недостатки машин сухого сжатия. Вместе с тем, компрессорная установка усложняется системой подачи, улавливания масла и возврата его в циркуляционную систему (рис. 17.10).

Рис. 17.10. Схема установки маслозаполненного компрессора 1- воздушный фильтр; 2 - компрессор; 3 - маслосборник;

4- предохранительный клапан; 5- маслоотделитель второй ступени; 6 — маслохолодильник; 7- масляные фильтры;

8- обратный клапан; 9- масляный насос

Недостатком является также сравнительно большой расход масла. При ε= 8 - 9 в компрессоре циркулируют 5 - 8 кг масла на 1 кг сжимаемого воздуха, а унос масла с воздухом составляет 0,25 - 0,5 г / кг. Содержание масла в нагнетаемом воздухе можно уменьшить, но тогда возрастает потеря давления в маслоотделителях. Если воздух подаётся к пневматическому инструменту, требующему некоторого количества масла в сжатом воздухе для смазки трущихся деталей, то указанный расход масла частично оправдывается.

При одинаковых εудельный расход мощности в маслозаполненных машинах всегда больше, чем в машинах сухого сжатия, вследствие затрат энергии на подачу масла в компрессор под давлением, на движение двухфазной среды в коммуникациях и в маслоотделителях.

Они применяются в первую очередь в передвижных компрессорных установках, обычный привод которых (дизель) удобен для регулирования подачи воздуха изменением частоты вращения вала. Невысокая температура нагнетаемого воздуха в значительной степени увеличитвает срок службы шланов, которые присоединяются к

компрессорной установке. Небольшие размеры компрессора позволяют разместитьего непосредственно на картере двигателя, что упрощает монтаж.

Верхняя граница конечного давления в двухступенчатом винтовом компрессоре сухого сжатия (≈ 1,2 МПа) обусловлена нагрузочной способностью упорных подшипников, которая не позволяет увеличить разность давлений газа на входе и выходе второй ступени более чем на 0,7 - 0,9 МПа. При давлениях больших 1,2 МПа винтовые компрессоры приходится изготовлять многокорпусными, в результате чего установки становятся слишком громоздкими. Совершенствование машин позволяет расширить границы достигаемых давлений. Одна из фирм, повысив несущую способность опор, выпустила компрессоры сухого сжатия с давлением до 4 МПа.

Рабочий объём винтового компрессора определяется по площадям f1 и f2 торцового сечения винтовых впадин ведущего и ведомого роторов длиной l: где σ- коэффициент, зависящий от формы профиля зубьев; для кругового профиля σ = 0,1143.

Коэффициент объемного расхода газа λна входе зависит от тех же факторов, что и в поршневом компрессоре. Особенность винтовых компрессоров - высокие значения этого коэффициента (0,85 - 0,92); при высоких частотах вращения он близок к единице и даже может превышать её. Это объясняется влияием скоростного наддува и относительно малым объёмом мёртвого пространства (меее 0,5 % для несимметричного и около нуля для кругового профиля). Скоростной (инерционный) наддув состоит в том, что в результате торможения газа, поступающего с большой скоростью из всасывающего патрубка, давление в винтовых полостях в конце этапа всасывания оказывается выше начального (коэффициент давлеия λp> 1). Эффект усиливается с увеличением частоты вращения.

Процесс сухого сжатия близок к адиабатическому, так как длительность его очень мала (< 0,01 с). При впрыскивании воды или масла показаптель политропы в зависимости от интенсивности охлаждения для воздуха находится в пределах 1,1 - 1,4.

Мощность винтового компрессора обычно рассчитывают по адиабатическому КПД, который при сухом сжатии составляет:

для крупных машин 0,80 - 0,83 при ε= 3,2 - 4,2;

для средних машин 0,76 - 0,81 при ε= 3,2 - 4,2;

для малых машин 0,70 - 0,75.

При впрыскивании небольшого (8 - 14 % по массе) количества воды адиабатический КПД увеличивается на 4 - 8 %. Для маслозаполненных машин, поскольку в них осуществляется высокое сжатие в одной ступени, пад= 0,68 - 0,74. (рис. 17.11, а). Кривые коэффициента λтипичны для объёмных машин; они «падают» почти линейно с увеличением ε.Под влиянием снижения относительного значения количества перетекающего газа через щели и инерционного наддува при высоких частотах вращения вала кривые λрасполагаются выше, чем при низких частотах. Кривые КПД «плоские» в широком диапазоне ε, что указывает на приспособленность компрессора к работе на переменных режимах.

Рис. 17.11. Характеристика винтового компрессора:

а - с кривыми удельной мощности; б - с кривыми постоянного адиабатического КПД

«Топографическая» характеристика представлена на рис. 17.11, б. На ней отчётливо видна область наивысших значений КПД при изменений частоты вращения и степени повышения давления.

По удельному расходу мощности винтовые компрессоры пока уступают поршневым, что объясняется тем, что они находятся на начальной стадии развития.

<< | >>
Источник: В. М. КАСЬЯНОВ, С. В. КРИВЕНКОВ, А. И. ХОДЫРЕВ, А. Г. ЧЕРНОБЫЛЬСКИЙ. ГИДРОМАШИНЫ И КОМПРЕССОРЫ. Конспект лекций для студентов ВУЗов.

Еще по теме § 17.6. ВИНТОВЫЕ КОМПРЕССОРЫ:

  1. § 17.7. ВИНТОВЫЕ КОМПРЕССОРНЫЕ УСТАНОВКИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В НЕФТЯНОЙ И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
  2. § 10.3. ВИНТОВОЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
  3. § 18. 2. ВЫБОР КОМПРЕССОРОВ
  4. § 12.3. МОЩНОСТЬ И КПД КОМПРЕССОРА
  5. § 18.4. ИСПЫТАНИЯ КОМПРЕССОРОВ
  6. § 14.3. ТИПОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПОРШНЕВЫХ КОМПРЕССОРОВ
  7. § 17.3. ЖИДКОСТНОКОЛЬЦЕВЫЕ КОМПРЕССОРЫ
  8. § 13.10. ОСНОВЫ РАСЧЁТА ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА
  9. § 13.9. ОСЕВЫЕ КОМПРЕССОРЫ
  10. § 17.5. КОЛОВРАТНЫЙ КОМПРЕССОР
  11. § 17.2. ПЛАСТИНЧАТЫЕ КОМПРЕССОРЫ
  12. § 13.5. ВНУТРЕННИЙ ПОЛИТРОПИЧЕСКИЙ К. П. Д. НЕОХЛАЖДАЕМОГО КОМПРЕССОРА
  13. § 15.4. ХАРАКТЕРИСТИКИ ОДНОСТУПЕНЧАТОГО КОМПРЕССОРА
  14. § 13.3. ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ КОМПРЕССОРЫ. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО