Федеральное государственное бюджетное образование учреждение
Высшего образования
«Омский государственный технический университет»
Нефтехимический институт
Кафедра «Холодильная и компрессорная техника и технология»
Дисциплина “Теория, расчет и конструирование
поршневых компрессоров”
Лабораторная работа №1
«изучение устройства поршневых компрессоров»
Выполнил: студент Нефтехимического факультета
группы ЗТМО-161
Дунайский О.О.
Проверил:
Бусаров С.С.
г.Омск, 2019 г
Цель работы: Изучить конструкцию и принцип действия поршневого компрессора и его отдельных узлов, элементов и систем.
Краткая теория:
База и цилиндропоршневая группа
Компрессор – это машина, преобразующая внешнюю энергию, подводимую к ней, в энергию сжатого газа.
Поршневой компрессор (ПК) – одна из разновидностей таких машин.
Его основными составными частями являются корпусные детали, механизм движения и устройство газораспределения. Кроме того, ПК может включать в свою конструкцию систему смазки, систему охлаждения, устройства регулирования и другие вспомогательные системы.
Все корпусные детали ПК делятся на 2 группы. В одну группу входят детали, формирующие проточную часть компрессора. В нее входят цилиндры, камеры и патрубки всасывания и нагнетания. Вторая группа деталей входит в базу ПК.
Конструктивное исполнение отдельных корпусных деталей и их взаимное сочетание определяют конструктивное схему ПК в целом.
База компрессора – это совокупность сборочных единиц и деталей, объединяющих механизм движения (как правило, это кривошипно-шатунный механизм). В состав базы входят: картер (станина, рама), коленчатый вал, подшипники, шатуны, крейцкопфы, элементы системы смазки механизма движения, механизм проворачивания коленчатого вала (последний, как правило, используют только в крупных ПК).
Рама и корпус направляющей крейцкопфа служат для размещения элементов механизма движения и их смазки, а также для сопряжения механизма движения с цилиндропоршневой группой. Коленчатый вал, установленный на коренных подшипниках, воспринимает подводимый к ПК извне крутящий момент и передает его на шатун. Шатун, совершающий сложное плоско-параллельное движение, преобразует вращательное движение коленчатого вала в возвратно-поступательное, которое передается на крейцкопф (или непосредственно на поршень в бескрейцкопфных схемах). Крейцкопф воспринимает поршневые нагрузки, взаимодействуя с направляющими, закрепленными на корпусе, и воспринимает осевое усилие со стороны поршня (обычно через шток).
В цилиндропоршневой группе осуществляется рабочий процесс ПК, то есть в полости цилиндра, объем которой периодически изменяется за счет движения поршня, происходит изменение параметров состояния компримируемого газа; повышается его давление и, следовательно, повышается его потенциальная энергия.
Основные конструктивные типы поршней: тронковый, дисковый, дифференциальный.
Тронковые поршни применяются в цилиндрах простого действия и соединяются с шатуном посредством поршневого пальца. Поршни такого типа применяются в первых ступенях компрессоров, так как обычно в ступенях высокого давления поршни имеют малый диаметр, что не позволяет разместить в поршне верхнюю головку шатуна. Для изготовления тронковых поршней применяется чугун СЧ25, СЧ30 и алюминиевые сплавы.
Дисковые поршни применяются только в крейцкопфных машинах. Для горизонтальных машин поршни большого диаметра снабжают специальной несущей поверхностью. Также дисковые поршни позволяют организовывать процесс сжатия по схеме двустороннего действия.
Дифференциальные поршни, как правило, выполняются для двух ступеней. Поршни изготовляют цельными или составными.
В некоторых холодильных компрессорах всасывание рабочего тела происходит из картера компрессора. Для упрощения систем газораспределения клапан всасывания располагают на поршне. Такие ступени в компрессоре называют прямоточными.
Для уплотнения зазора между поверхностью цилиндра и поршнем, а также для обеспечения нормальных условий смазки цилиндропоршневой группы применяются поршневые кольца, отличающиеся друг от друга по своему конструктивному исполнению и функциональному назначению.
Механизм движения компрессора состоит из коленчатого вала шатуна и поршня для бескрейцкопфных схем. Для крейцкопфных схем добавляется крейцкопф и шток.
Одной из наиболее ответственных деталей компрессора является коленчатый вал. Он необходим для передачи усилий от привода компрессора на поршень.
Коленчатый вал состоит из коренных шеек, шатунных шеек, зек и противовесов.
Коленчатые валы имеют две и более опор. Коленчатые валы изготовляют из поковок, штампованных заготовок или методом литья. Для изготовления коленчатых валов используются качественные конструкционные стали марок 35, 40, 45 и низколегированные стали марок 40Х, 40ХН, 30ХМА.
Шатун служит для преобразования вращательного движения вала в возвратно-поступательное движение поршня (крейцкопфа).
Шатун состоит из нижней и верхней головок, соединенных между собой стержнем. Нижняя головка кривошипа в большинстве случаев выполняется разъемной и служит для соединения с коленчатым валом. Съемная крышка крепится шатунными болтами. В расточке нижней головки размещается вкладыш, выполняемый из стали или чугуна. Поверхность вкладыша, контактирующая с щатунной шейкой коленчатого вала, покрывается слоем баббита.
В некоторых случаях для монтажа и демонтажа шатун должен проходить через цилиндр, что накладывает ограничения по размерам нижней головки шатуна. В тех случаях, когда отношения диаметра шатунной шейки вала и диаметра цилиндра больше обычного, применяют специальные конструкции шатунов с косым разъемом кривошипной головки.
На компрессорах специального назначения применяют комбинированные шатунные группы, состоящие из основного и нескольких прицепных шатунов. Такое конструктивное решение позволяет уменьшить габаритные размеры компрессора за счет уменьшения длины коленчатого вала, поскольку все цилиндры компрессора расположены в одной плоскости.
Шатуны изготавливают чаще всего из углеродистой стали марки 40 или из легированной стали марки 40Х.
Шатунные болты изготавливаются из высокопрочных сталей марок: 38ХА, 40Х, 40ХН. Эскиз шатуна представлен на рисунке 1.
Рис. 1 Эскиз шатуна
Крейцкопфы применяют при сжатии газов в ступенях двойного действия, а также в компрессорах с тронковыми поршнями малого диаметра. Для изготовления крейцкопфа со съемными башмаками применяют следующие основные материалы: чугун СЧ20 и сталь 25Л-Ш.
Шток – это деталь, применяемая для соединения поршня с крейцкопфом. Штоки изготовляют из сталей 35, 40, 38ХА.
Органы газораспределения
Клапаны поршневых компрессоров – это узлы, сообщающие или разобщающие полость цилиндра с полостями всасывания и нагнетания. В подавляющем большинстве случаев применяют самодействующие клапаны. Закон движения запорного органа самодействующего клапана определяется изменяющейся разностью давлений.
Кольцевые клапаны состоят из седла с концентрическими каналами для прохода газа, соединенными радиальными перемычками, кольцевых пластин, перекрывающих эти каналы, и ограничителя подъема пластин, который также имеет концентрические каналы, сдвинутые относительно каналов седла по диаметру клапана. В ограничителе подъема расположены пружины, прижимающие пластины к седлу и закрывающие клапан. Весь клапан стянут шпилькой, расположенной в центре. В ограничителе или в седле выполнены бурты для направления пластины при ее движении. Кольцевые клапаны просты в изготовлении, обладают высокой плотностью, сравнительно малым мертвым пространством. Однако из-за невысокой эффективности кольцевые клапаны применяются в основном в ступенях среднего и высокого давления.
Замыкающие элементы ленточного клапана имеют форму прямоугольных полос малой толщины и сами обладают пружинными свойствами. Проходные каналы в седле клапана также имеют прямоугольную форму. В свободном состоянии замыкающие элементы прилегают к седлу, при наличии разности давления они выгибаются по контуру углублений в ограничителе подъема и открывают каналы в седле клапана для прохода газа. Концы пластин находятся в направляющих гнездах. Для предотвращения продольного сдвига пластин служат шпонки или ограничивающие планки, помещенные между седлом и ограничителем. Полосовые клапаны выполняются как круглой, так и прямоугольной внешней формы. Клапаны рекомендуется применять для высокооборотных компрессоров (N>1500 об/мин) со смазкой или без смазки, малой и средней производительности для 1-й и 2-1 ступеней.
Конструкцию прямоточного клапана образуют две детали: 1) замыкающий элемент, выполняемый в виде тонких самопружинящих полос; 2) седло-ограничитель отгиба замыкающего элемента.
Самопружинящая пластина зажимается по П-образному контуру между примыкающими друг к другу седлами. Пакет собранных деталей стягивается кольцевым бандажом.
В компрессорах высокого давления и малой производительности применяют сферические тарельчатые клапаны. Достоинства этих клапанов состоят в том, что они могут использоваться на ступенях высокого давления быстроходных компрессоров благодаря малой массе и достаточной жесткости замыкающего элемента. Однако для изготовления клапанов требуется специальное технологическое оборудование, обеспечивающее требуемое качество сферической поверхности.
Лепестковые клапаны используются главным образом в бытовых холодильных компрессорах и в компрессорах с катящимся ротором, а также в малых и средних воздушных компрессорах низкого давления.
Замыкающий элемент лепестковых клапанов представляет собой пластину, у которой, как правило, длина превалирует над поперечными размерами. Основным достоинством клапанов считается простота конструкции и малое мертвое пространство.
Недостатки клапана:
-высокие требования к материалам пластин;
-сложность ремонта клапана при условиях эксплуатации компрессоров;
-чувствительность тонкой пластины к шероховатостям на поверхности седла, что может вызвать неплотное прилегание клапана к седлу.
Система смазки и охлаждения
Для нормальной работы ПК узлы трения должны смазываться. Смазка уменьшает механическое трение и износ сопрягаемых поверхностей, охлаждает узлы трения, удаляет продукты износа, предохраняет от коррозии, повышает герметичность уплотнений. В некоторых случаях применяют узлы трения, детали которых изготавливают из самосмазывающихся материалов.
В ПК существуют две системы смазки: 1 – цилиндров и сальников штоков; 2 – механизмов движения. Как правило, эти системы выполняются раздельно и в каждой из них применяется свой тип масла, что можно объяснить различными условиями работы этих систем. Такая система смазки называется раздельной. Существуют также ПК с совместными системами смазки.
Уплотнения поршней и штоков находятся в контакте с горячими газами под повышенным давлением и в этих условиях должны обеспечивать достаточную вязкость для создания устойчивой пленки на поверхности трущихся деталей, стабильность, хорошую подвижность в маслопроводах. Смазка цилиндров ПК может быть реализована следующими способами: разбрызгиванием масла, залитого в картер; впрыском масла в поток всасываемого газа; подачей под давлением от масляного насоса.
Узлы трения механизма движения смазываются машинными маслами типа ИЗО, И40, И45, И50, а также компрессорными (К12, К19) и авиационными (МС-20, МС-22). Их смазка осуществляется двумя способами: разбрызгиванием и подачей смазки под давлением.
В ряде ПК применяют специальные смазочные масла. Так, в холодильных компрессорах используют холодильные масла типа ХФ, ХА. В кислородных и других ПК, сжимающих агрессивные и взрывоопасные газы, используют синтетические неуглеводородные масла, мыльно-глицериновые смазки.
Для обеспечения нормального температурного режима ПК в нем предусмотрены системы охлаждения. Основной источник тепловыделения в ПК – узел сжатия, то есть цилиндр.
В стационарных компрессорах, как правило, используется водяное охлаждение цилиндров, реализуемое с помощью так называемых «водяных рубашек». В малых и передвижных ПК – это, как правило, воздушное охлаждение, при котором внешние поверхности цилиндров выполнены ребристыми и обдуваются потоком воздуха.