Динамические компрессоры

Компрессоры

По физическому принципу работы различают компрессоры объемного и динамического типов. Классифика­ция компрессоров по конструктивному исполнению гораздо шире (Рис. 1).

Рис. 1. Классификация компрессоров

В объемных компрессорах, работающих по принципу вытеснения, воздух замыкают в рабочей камере и затем уменьшают ее объем, после чего рабочая камера соединяется с отводящим (нагнетательным) трубопро­водом.

В динамических компрессорах воздух поступает на рабочий орган, сообщающий ему кинетическую энергию, которая на выходе компрессора преобразуется в потенциальную.

Для получения высоких давлений при небольшой производительности используют компрессоры объемного типа (исключая компрессоры Рутса), а для получения больших расходов при относительно малом давлении — компрессоры динамического типа.

Объемные компрессоры

Наиболее широкое применение находят поршневые компрессоры.

Существует множество типов поршневых компрессоров. Они бывают простого и двойного действия, одноступенчатые и многоступенчатые, одноцилиндровые и многоцилиндровые, с воздушным и водяным охлаждением.

Основными деталями поршневого компрессора простого действия (рис. 2) являются: цилиндр 2 с нагнетательным 7 и всасывающим 1 клапанами в крышке 6; поршень 3; кривошипно-шатунный механизм 5, преобразующий вращательное движение приводного вала 4 в возвратно-поступательное движение поршня.

Рис. 2. Поршневой компрессор

При движении поршня к нижней «мертвой точке» (обратный ход — рис. 2, а) рабочая камера компрессора, образованная замкнутым объемом между поршнем 3 и крышкой 6 цилиндра, увеличивается и в ней создается вакуум. Под действием атмосферного давления открывается всасывающий клапан 1, через который в цилиндр нагнетается воздух. В это время нагнетательный клапан 7 удерживается в закрытом положении под действием вакуума в рабочей камере и высокого давления в нагнетательном трубопроводе. После достижения поршнем 3 крайнего положения начинается процесс его движения к верхней «мертвой точке» (прямой ход— рис. 2, б). Объем рабочей камеры начинает уменьшаться, давление в ней возрастает, и всасывающий клапан закрывается. Нагнетательный клапан открывается тогда, когда давление в цилиндре превысит давление в линии нагнетания. Полный цикл такого компрессора совершается за два хода поршня — обратный и прямой, т. е. за один оборот приводного вала.

Одноступенчатые компрессоры позволяют получить сжатый воздух с избыточным давлением до 1,3 МПа (13 бар), а развиваемая ими производительность достигает 20 тыс. м³/час.

Поршневые компрессоры подают воздух в нагнетательный трубопровод неравномерно, отдельными порци­ями. Степень неравномерности увеличивается еще и вследствие того, что скорость движения поршня не по­стоянна, а изменяется по синусоидальному закону. Для сглаживания неравномерности подачи воздуха, а сле­довательно, и пульсаций давления в линии нагнетания применяют многопоршневые компрессоры, ходы порш­ней которых сдвинуты по фазе.

Все поршневые конструкции имеют один существенный недостаток: в картер поршневых компрессоров заливают масло, предназначенное для смазки трущихся поверхностей. Высокие температуры в поршневом пространстве компрессоров и на начальном участке линии питания приводят к парообразованию и к частично­му термическому разложению масла. В результате часть масла окисляется и в виде нагара и лакообразной пленки осаждается на внутренних полостях компрессоров и трубопроводов, а легкие фракции, в виде паров и мелкодисперсной фазы, уносятся воздухом в систему.

Ротационные компрессоры, как и поршневые, работают с принудительным выталкиванием сжатого воздуха, однако в их конструкции отсутствуют клапаны и кривошипно-шатунный механизм. На рис. 3 изображен рота­ционный пластинчатый компрессор.

Рис. 3. Пластинчатый (шиберный) компрессор

В машинах такого типа вследствие эксцентричного расположения ротора 3 в цилиндрическом статоре 1 между ними образуется серповидная полость. В радиальных пазах ротора 3 размещены подвижные пластины 2 которые под действием центробежной силы при вращении ротора выдвигаются из пазов и плотно прижима­ется к внутренней цилиндрической поверхности статора 1 (часто применяют еще и дополнительный принудительный поджим пластин при помощи пружин либо путем подведения к торцам пластин сжатого воздуха от линии нагнетания). Вращающиеся пластины делят пространство между ротором и статором на рабочие камеры, объем которых меняется по мере вращения ротора. За один оборот ротора объем рабочих камер вначале увеличивается (при этом пластины выдвигаются из пазов), а затем уменьшается (при этом пластины задвига­ется в пазы). В том месте, где при вращении ротора объем рабочих камер увеличивается, расположен входной патрубок, а на участке, где их объем уменьшается, — выходной. Степень сжатия, а следовательно, и значение давления на выходе пластинчатого компрессора (до 0.8 МПа) значительно меньше, чем у поршневого, но его конструктивное исполнение гораздо проще, производительность достигает 20 тыс. м³/час. Воздух через компрессор двигается поступательно и плавно, без завихрения.

Основные элементы конструкции винтового компрессора — два находящихся в зацеплении винта (рис. 4) ведущий 1 и ведомый 2. При вращении винтов их винтовые линии, взаимно замыкаясь, отсекают некоторый объем воздуха в камере всасывания, перемещают его вдоль оси винтов и в конечном итоге вытесняют в камеру нагнетания.

Рис. 4. Винтовой компрессор

Процесс перемещения воздуха происходит по всей длине винтов непрерывно, и при постоянной частоте вращения вала компрессора обеспечивается равномерная, без пульсаций, подача. Недостаток винтовых ком­прессоров — довольно сложная технология изготовления винтов; преимущество — равномерность подач г воздуха, а следовательно, отсутствие колебаний уровня давления в линии нагнетания. Винтовые компрессоры обеспечивают давление сжатого воздуха до 2,5 МПа, а расход воздуха в них достигает 30 тыс. м³/час.

На рис. 5 изображен компрессор Рутса, также относящийся к ротационным компрессорам.

Рис. 5. Компрессор Рутса

Рабочими органами такого компрессора служат два синхронно вращающихся специально спрофилирован­ных вытеснителя 1. Воздух, попадая в рабочие камеры, образованные между вытеснителями и корпусом 3 переносится из зоны всасывания в зону нагнетания. Рабочие органы не находятся в зацеплении друг с другом, а синхронизация их вращения осуществляется шестернями 2, расположенными в специальном отделении кор­пуса и находящимися в зацеплении между собой. Между самими вытеснителями, а также между вытеснителя­ми и корпусом имеются гарантированные зазоры, и эта особенность конструкции обусловливает относительно небольшие значения выходного давления. Практическое отсутствие трущихся поверхностей в рабочей камере обеспечивает возможность достижения большой производительности благодаря высокой частоте вращения роторов.

Динамические компрессоры

В центробежных компрессорах (турбокомпрессорах) основным элементом конструкции служат расположенное в спиральном отводе 2 рабочее колесо 1, представляющее собой диск со специально спрофилироваными лопатками (рис. 6).

Рис. 6. Центробежный компрессор

Всасываемый воздух поступает в осевом направлении к центру колеса. При вращении ротора лопатки раскручивают воздух и одновременно вовлекают его в относительное движение по образованным ими каналам. Под действием центробежной силы воздух движется от центра колеса к периферии. Таким образом, потоку воздуха сообщается кинетическая энергия, которая при протекании его по специально спрофилированным направляющим и отводящим устройствам преобразуется в энергию давления. Как правило, центробежные компрессоры изготовляют многоступенчатыми, т. е. с несколькими рабочими колесами, устанавливаемыми на одном валу. Требуемая степень сжатия воздуха обеспечивается его последовательной подачей с выхода одного колеса на вход другого. Основное преимущество компрессоров этого типа — большая производительность до 400 тыс. м³/ч).

Это же преимущество характерно и для осевых компрессоров (рис. 7).

Рис. 7. Осевой компрессор

Поток воздуха в них имеет осевое направление. Основной конструктивный элемент — вращающийся ротор 1, на поверхности которого укреплены рабочие лопатки 2. Осевые компрессоры развивают давление воздуха до 0,4 МПа, а их производительность достигает значений более 50 тыс. м³/ч.

На принципиальных пневматических схемах условное графическое обозначение компрессора, каким бы ни было его конструктивное исполнение, согласно действующим стандартам имеет следующий вид (рис. 8, а).

Рис. 8. Условное графическое обозначение компрессора

Незакрашенный треугольник своей вершиной, лежащей на окружности, указывает направление движения потока сжатого воздуха (рис. 8, б).

Изображение простейшей компрессорной установки, состоящей из компрессора, воздухозаборника на ли­нии всасывания, приводного электродвигателя и соединительной муфты, принимает, таким образом, следую­щий вид (рис. 8, в).

Чтобы производительность компрессора соответствовала изменяющемуся потреблению сжатого воздуха, необходимо регулировать давление, развиваемое компрессором, в диапазоне от максимального до минималь­ного. На практике применяют различные виды регулирования:

- Регулирование по нагрузке. Уровень давления в напорной магистрали регулируется путем изменения частоты вращения приводного двигателя компрессора.

- Регулирование периодическим отключением. При достижении заданного максимального уровня дав­ления приводной двигатель компрессора отключается. Включение двигателя производится при снижении величины давления до минимально допустимого значения. Чтобы обеспечить приемлемую периодичность включений-выключений компрессора необходимо иметь резервный запас сжатого воздуха на его выходе, который создается с помощью ресивера (пневмоемкость (бочка на объем от 50 литров)).

- Регулирование холостым ходом. Различают регулирование на входе, на выходе и коротким замыканием. Регулирование на входе выполняют следующими способами:

а) прекращение подачи осуществляется путем перекрытия всасывающей магистрали компрессора.

б) всасывающий клапан компрессора удерживается открытым посредством встроенного привода, что не позволяет воздуху в рабочей камере сжиматься (рис. 9).

Рис. 9. Управление всасывающим клапаном компрессора

- Регулирование сбросом: компрессор «работает» на предохранительный клапан – аппарат, проходное сечение которого открывается при превышение его давления настройки и сбрасывает в атмосферу сжатый воздух, например нам нужно, чтобы давление в системе было 0,4 МПа, а компрессор нам выдает 0,8МПа, значит его разницу мы будем стравливать в атмосферу в постоянном режиме, в результате компрессор имеет КПД только 50% и ниже.