7.10. Конструкции ротационных и лопастных компрессоров

Р отационный пластичный компрессор (рис.3.18) состоит из не­подвижного цилиндрического корпуса I, в котором эксцентрично враща­ется ротор 2, несущий в радиальных пазах свободно посаженные пласти­ны 3.

Рис.7.17. Ротационный пластинчатый компрессор

При вращении ротора центробежные силы выдвигают пластины из пазов, при­жимая их к внутренней поверхности ци­линдра. Между каждой парой пластин и поверхностями цилиндра, ротора и боко­вых крышек образуются изолированные камеры 4, объем которых изменяется в процессе вращения ротора из-за его эксцентричного размещения в цилиндре.

Серповидная полость между поверхностями цилиндра и ротора может быть условно разбита на четыре сектора. При вращении ротора в направ­лении, показанном стрелкой на рис.7.17, в секторе I происходит увели­чение объема камер между пластинами и через всасывающие патрубок 5 и полость 6 в эти камеры поступает атмосферный воздух (процесс вса­сывания). В секторе II объем камер уменьшается - воздух сжимается, и в секторе 3, когда камеры сообщаются с нагнетательным патрубком 7, происходит процесс вытеснения воздуха в пневмосеть. В секторе 4 расширяется сжатый воздух, оставшийся во вредном пространстве камер. При большей частоте вращения ротора (750 - 1500 об/мин) процессы всасывания и нагнетания в пластинчатом компрессоре происходят непрерывно без заметных пульсаций в подаче, что является их достоинством. Кроме того, все ротационные компрессоры отличает высокая динамическая уравновешенность, в связи с чем их применяют в передвижных компрес­сорных агрегатах.

Рабочие циклы ротационных и поршневых компрессоров одинаковы и описываются аналогичными индикаторными диаграммами и уравнениями.

Особенностью работы пластинчатого компрессора является постоянство внутренней степени сжатия, которая определяется эксцентриситетом ро­тора, углом разворота сектора сжатия II и не зависит от давления в нагнетательном патрубке (пневмосети). В связи с этим возможны случаи, когда давление в рабочих камерах в конце сжатия выше или, наоборот, ниже, чем давление в пневмасети. В первом случае процесс вытеснения сопровождается расширением воздуха в нагнетательном патрубке, а во втором - имеет место дожим воздуха в рабочих камерах воздухом, вхо­дящим в них из пневмосети. И в том, и в другом случаях энергоемкость сжатия воздуха повышается по сравнению с нормальной работой компрес­сора, когда давление воздуха в камере в конце сжатия нагнетательном патрубке одинаковы.

В пластинчатых компрессорах применяют, как правило, внешнее водяное охлаждение, сочетая его в некоторых конструкциях с внутренним впрыском охлаждающего масла в цилиндр, которое одновременно выполняет роль смазки. Однако существующие системы охлаждения не обеспечивают достаточного отвода тепла из-за быстротечности процесса сжатия. Поэтому рабочий цикл пластинчатого компрессора характеризуется гипе­радиабатным сжатием воздуха с показателем политропы n= 1,4-1,5. Неудовлетворительный тепловой режим и большие механические потери на трение ограничивают степень сжатия воздуха в компрессоре и обус­лавливают низкие значения его к.п.д. Механический к.п.д. компрессора составляет = 0,8 - 0,9, изотермический = 0,62 - 0,67 и адиабатный = 0,75 - 0,78. Предельная степень сжатия воздуха в одноступенчатых пластинчатых компрессорах = 3 - 5, в двухступен­чатых = 9 - 13. Для исключения трения пластин о поверхность цилиндра на пластинчатый ротор по периферии устанавливают бронзовые или чугунные разгрузочные кольца, несколько меньшего диаметра, чем цилиндр. К кольцам и в пазы ротора подается смазка. Расход масла в 3-4 раза выше, чем у поршневых компрессоров.

Производительность (м³/мин) ротационного пластинчатого компрес­сора определяют по формуле:

где, e - эксцентриситет, м.

L и D - соответственно длина и диаметр цилиндра, м,

Z - количество пластин,

- толщина пластин, м,

n- частота вращения ротора, об/мин.

Пластинчатые компрессоры имеют производительность от 6 до 140 м3/мин. Из-за влияния вредного пространства, нагрева воздуха во всасывающем тракте и больших утечек через зазоры между пластинами и корпусом коэффициент подачи относительно невелик ( = 0,55 - 0,75).

Компрессор не имеет собственной системы клапанов, в связи с чем в нагнетательной сети обязательно устанавливают обратный клапан, чтобы исключить выход сжатого воздуха через компрессор и обратное вращение ротора при отключении двигателя.

Регулирование пластинчатых компрессоров производят дросселирова­нием на всасывании с одновременным перепуском воздуха с нагнетатель­ной стороны на всасывающую (холостой ход) или изменением частоты вра­щения. В последнем случае минимальная и максимальная частота вращения ограничиваются величиной центробежных сил, действующих на пластины ( , где n - номинальная частота вращения).

Двухступенчатыми ротационными компрессорами оборудованы передвиж­ные пневматические установки ПР-10. При использовании в качестве ва­куум-насоса двухступенчатый пластинчатый компрессор обеспечивает вакуум до 99,7%.

Водокольцевые компрессоры и вакуум-насосы (рис. 7.18) являются разновидностью ротаци­онных пластинчатых компрессоров. Ротор I с жестко закрепленными ра­диальными (или загнутыми вперед) ло­патками 2 эксцентрично размещен в кор­пусе 3. При вращении ротора лопатки взаимодействуют с залитой в корпус во­дой и приводят ее в круговое движение. Под действием центробежных сил вода прижимается к внутренней поверхности корпуса, образуя жидкостное кольцо рав­ной толщины. Серповидное пространство между поверхностями ротора и жидкостного кольца разделено лопатками на ряд изолированных камер, в которых происходит рабочий цикл сжатия воздуха по аналогии с пластинчатыми компрессорами. Подвод атмосферно­го и отвод сжатого воздуха происходит ч ерез всасывающее 4 и нагнета­тельное 5 отверстия в торцевой части цилиндрического корпуса.

Рис.7.18. Водокольцевой компрессор

Жидкостное кольцо выполняв роль уплотнительной среды между кор­пусом и вращающимся ротором. Концы лопаток постоянно погружены в воду и не касаются внутренней поверхности корпуса, в связи с чем исключаются трение и износ лопаток. Количество воды должно быть достаточно, чтобы исключить зазор между ротором и жидкостным кольцом в промежутке между секторами всасывания и нагнетания. Вода в небольших количествах уносится потоком воздуха и убыль ее непрерывно восполняется. Помимо уплотнения зазоров вода охлаждает газ и осуществляет смазку трущихся деталей.

Недостаток водокольцевых компрессоров - низкий общий к.п.д, из-за больших потерь энергии на образование жидкостного кольца. Изотермический к.п.д

= 0,35 - 0,52. Высока влажность воздуха при выходе из компрессора и относительно велик расход воды.

Производительность водокольцевых компрессоров (м³/мин):

где и - диаметр ротора соответственно по основаниям и концам лопаток, м.

а - минимальное погружение лопаток в жидкостное кольцо, м.

и - соответственно высота и толщина лопаток, м.

Z - количество лопаток,

L - длина лопаток по оси ротора, м.

Одноступенчатые водокольцевые компрессоры обеспечивают произво­дительность от 0,2 до 200 м³/мин при коэффициенте подачи =0,96 и давлении сжатого воздуха от 2,5 до 5 бар. Высокий коэффициент по­дачи, вследствие хорошего уплотнения зазоров жидкостью, обусловил широкое применение этого вида машин в качестве вакуум-насосов. Они обеспечивают вакуум до 98%.

Отечественные заводы выпускают четыре типоразмера водокольцевых компрессоров: ВК-1,5, ВК-3, ВК-6 и BК-I2. Цифры после буквенного индекса означают производительность компрессоров в м3/мин при нулевом избыточном давлении на нагнетании. Компрессоры ВК предназначены для создания вакуума и избыточного давления до 2,2 бар в закрытых аппаратах с нейтральной агрессивной газовыми средами.

Рис.7.19. Винтовой компрессор

Винтовой компрессор (рис.7.19) состоит из двух вращающихся винтовых роторов (ведущего I и ведомого 2), поме­щенных в герметичный корпус 3. При встречном вращении роторов винто­вые выступы на их поверхности поочередно входят во впадины, снимая и вытесняя из них воздух. Когда выступы выходят из впадин, то в по­лость впадин поступает воздух из атмосферы. Если направление враще­ния роторов такое, как показано на рис.7.19, то процессы сжатия и вытеснения будут происходить в нижней части корпуса, а всасывание - в верхней.

Процесс перекрытия каждой отдельной впадины соответствующим выс­тупом происходит не сразу по всей длине винтовой линии впадины, а постепенно с перемещением зоны полного перекрытия вдоль оси вращения роторов. Вследствие этого помимо радиального отжима из впадин при встречном вращении роторов имеет место вытеснение воздуха вдоль винтовой линии. Выбирая соответству­ющим образом шаг винтовой линии и мес­тоположение отводящего канала 4, обес­печивают необходимую степень сжатия воздуха в винтовом канале компрессора. Следовательно, винтовые компрессоры, как и пластинчатые, имеют постоянную внутреннюю степень сжатия, не завися­щую от давления в пневмосети, и если давления в пневмосети и компрессоре различны, то он будет работать в режи­ме с расширением или дожимом воздуха в отводящем канале.

Вытеснение воздуха из винтовых впадин ведущего и ведомого роторов происходит поочередно. Однако пульсации в подаче сжатого воздуха винтовым компрессором практически неощутимы, так как частота вращения роторов велика (3000 - 30000 об/мин), а объем отдельных винтовых полостей относительно мал. Высокая частота вращения достигается применением мультипликаторов в приводе между двигателем и валом ведущего ротора. Между валами ведущего и ведомого роторов устанавливают синхронизирующую шестерню, что исключает со­прикосновение роторов при их вращении. Компрессор не требует ввода в рабочую полость масел для смазки, так как трение между рабочими поверхностями отсутствует.

Производительность компрессopа (м3/мин):

где, и - суммарная площадь поперечного сечения винтовых впадин соответственно ведущего и ведомого роторов, м ,

L - длина роторов, м,

Z - количество впадин,

n - частота вращения ведущего ротора, об/мин.

Винтовые компрессоры имеют производительность от 3 до 250 м³/мин при коэффициенте подачи = 0,85 - 0,92. Одноступенчатые компрес­соры обеспечивают степень сжатия от 2 до 4, а двухступенчатые - до 11.

Рабочий цикл винтового компрессора, как и пластинчатого, харак­теризуется гиперадиабатным сжатием. Адиабатный к.п.д. невысок: >55 - 0,6 (до 0,8 у компрессоров большой производительности). Охлаждение винтовых компрессоров осуществляется несколькими спо­собами: обдувом корпуса; циркуляцией охлаждающей воды в рубашке корпуса и полом ротора; внутренним впрыском жидкости. Жидкость (вода или масло), заполняя зазоры между винтовыми профилями роторов и кор­пусом, служит одновременно уплотнительной средой.

Регулирование винтовых компрессоров производят изменением частоты вращения роторов (наиболее экономичный способ), дросселированием на всасывании с одновременным перепуском воздуха с нагнетательной сто­роны на всасывающую и отключением всасывания с нагнетанием в атмос­феру. В последнем случае компрессор работает в режиме вакуум-насоса, потребляя на 20 - 25% меньшую мощность по сравнению с номинальной. Винтовые вакуум-насосы обеспечивают вакуум до 97%.

Помимо низкого адиабатного к.п.д., недостатками винтовых комп­рессоров являются: сложность изготовления роторов и значительный шум, возникающий вследствие больших частот пульсаций подачи воздуха во всасывающей и нагнетательной полостях. Последнее вызывает необходи­мость использования в этих компрессорах специальных глушителей.

Однако указанные недостатки перекрываются достоинствами винтовых машин: компактностью, малыми размерами и высокой динамической урав­новешенностью. Поэтому они получают все более широкое применение на горных предприятиях.