По принципу действия компрессоры, применяемые на передвижных компрессорных станциях, делятся на два типа: поршневые, к которым относятся и мембранные, и маслозаполненные. В свою очередь, маслозаполненные компрессоры подразделяют на пластинчатые и винтовые.
Поршневые компрессоры (см. рис. 1). В цилиндре 2 помешен поршень 1, который пальцем 5 шарнирно соединен с верхней головкой шатуна 6. Нижняя головка шатуна шарнирно соединена с шейкой коленчатого вала 7. При вращении коленчатого вала поршень совершает возвратно-поступательное движение, достигая то верхнего, то нижнего крайних положений. Крайние положения, в которых поршень меняет направление движения, соответственно называются верхней и нижней мертвыми точками (в. м. т. и н. м. т.). Расстояние, которое проходит поршень между верхней и нижней мертвыми точками, называется ходом поршня. В крышке цилиндра размещены самодействующие всасывающий 3 и нагнетательный 4 клапаны.
Всасывающий клапан пропускает воздух из полости всасывания в цилиндр, но препятствует выходу его из цилиндра. Нагнетательный клапан выпускает воздух из цилиндра в полость нагнетания и не позволяет ему проходить в обратном направлении, т. е. из полости нагнетания в цилиндр.
При движении поршня вниз от в. м. т. в цилиндре создается разрежение. Наружный атмосферный воздух, преодолев сопротивление всасывающего клапана 3, открывает его и заполняет цилиндр до тех пор, пока поршень не достигнет н. м. т. В этот момент всасывающий клапан закрывается, поршень начинает движение вверх, сжимая находящийся в цилиндре воздух – давление воздуха возрастает до тех пор, пока не откроется нагнетательный клапан 4, через который сжатый воздух будет вытесняться поршнем из цилиндра до момента прихода поршня в в. м. т.
За один оборот коленчатого вала (360°) совершается полный рабочий цикл компрессора: такт всасывания (при движении поршня от верхней до нижней мертвых точек); такт сжатия (при движении поршня от н. м. т. до момента открытия нагнетательного клапана) и такт нагнетания (сжатый воздух выталкивается из цилиндра двигающимся поршнем в направлении к в. м. т.).
Особенность поршневого компрессора – при нагнетании не весь сжатый воздух выталкивается поршнем из цилиндра, поэтому при обратном ходе поршня процесс всасывания начинается только после того, как давление оставшегося в цилиндре сжатого воздуха достигнет давления всасывания, т. е самодействующий всасывающий клапан откроется тогда, когда давление воздуха в рабочей полости цилиндра будет немного меньше, чем давление воздуха в полости всасывания (всасывающем трубопроводе).
Рис. 3. Мембранный компрессор:
1, 2 – всасывающий и нагнетательный клапаны; 3 – мембрана; 4 – рабочая полость; 5 – шатун; 6 – вал с эксцентриком
Мембранные компрессоры (рис. 3). Вместо поршня в них установлена гибкая мембрана. При вращении вала 6 с эксцентриком шатун 5, а вместе с ним и мембрана 3 перемещаются вниз. В рабочей полости 4 создается вакуум и в нее через открывающийся всасывающий клапан 1 засасывается атмосферный воздух. Когда мембрана переместится в крайнее нижнее положение, заполнение рабочей полости атмосферным воздухом закончится и всасывающий клапан автоматически закроется. При дальнейшем повороте вала с эксцентриком шатун вместе с мембраной будет подниматься вверх и воздух в рабочем пространстве будет сжиматься до тех пор, пока не откроется нагнетательный клапан 2 и сжатый воздух начнет выталкиваться из рабочей полости. Когда диафрагма придет в самое верхнее положение, выталкивание сжатого воздуха из рабочей полости закончится, нагнетательный клапан закроется и весь цикл работы компрессора начнет повторяться.
Пластинчатый компрессор (рис. 4. а). В горизонтально расположенном цилиндре 8, который с торцов закрыт крышками, эксцентрично помещен ротор 9. Ось О1 смещена вниз относительно оси цилиндра О2. В пазах ротора помещены пластины (лопатки) 7, которые при его вращении под действием центробежных сил прижимаются к внутренней поверхности цилиндра и между двумя соседними пластинами, внутренней поверхностью цилиндра и телом ротора образуются замкнутые ячейки 1–6.
Рис. 4. Пластинчатый компрессор одноступенчатого сжатия:
а – схема; б – заполнение воздухом ячеек 1 и 2, в – сжатие масловоздушной смеси а ячейках 3 и 4; г – нагнетание масловоздушной смеси в ячейки 5 и 6; 1-6 – ячейки; 7 – пластины (лопатки); 8 – цилиндр; 9 – ротор; О1, О2 – оси ротора и цилиндра
При повороте ротора (направление вращения указано стрелкой) ячейка 1 последовательно будет занимать различные положения, как показано на рисунке.
В положениях 1–3 объем ячеек (рис. 4, б) будет последовательно увеличиваться, и они будут заполняться атмосферным воздухом (процесс всасывания). При переходе от положения 3 к положениям 4 и 5 объем ячеек будет уменьшаться н воздух будет В них сжиматься (рис. 4, в).
В положении, показанном на рис. 4, г, ячейка 6 совместится с нагнетательным окном и сжатый воздух через него будет выталкиваться в нагнетательный трубопровод (процесс нагнетания).
Во время сжатия в ячейках температура воздуха повышается. Для охлаждения в него впрыскивается охлажденное масло. Перемешиваясь с нагретым воздухом, масло охлаждает его. В результате образуется масловоздушная смесь, которая смазывает трущиеся детали и одновременно уплотняет зазоры между деталями, улучшая таким образом процесс сжатия.
Винтовой компрессор. Принцип действия винтового компрессора рассмотрим на примере цилиндра с винтовой канавкой, в которой помешен шар. Цилиндр может вращаться вокруг своей оси (направление вращения указано стрелкой), а шар в канавке одновременно перемещаться слева направо. При вращении цилиндра шар будет контактировать с поверхностью канавки по линии, которая как бы разделяет объем канавки на две части (одна – перед шаром, другая – за шаром), изолированные друг от друга самим шаром. В первом положении (рис. 5, I) шар находится в самом начале канавки, во втором (рис. 5, II) он делит канавку на две части (левую и правую). Объем левой части канавки по мере перемещения шара будет увеличиваться, а воздух будет всасываться в канавку вслед за шаром. Соответственно объем привой части канавки будет уменьшаться, находящийся в ней воздух будет сжиматься и давление его будет повышаться. Так происходит процесс сжатия воздуха.
Рис. 5. Четыре положения вращающегося цилиндра с шаром:
1 – шар; 2 – канавка; 3 – цилиндр
При дальнейшем вращении цилиндра давление сжатого воздуха достигнет заданного значения (рис. 5, III), открытый торец правой части канавки совпадет с нагнетательным окном в торцовой крышке и сжатый воздух начнет нагнетаться в нагнетательную полость. Когда цилиндр повернется далее и займет новое положение (рис. 5, IV), шар вытеснит весь сжатый воздух, а сам займет в канавке крайнее положение. Процесс нагнетания сжатого воздуха в полости перед шаром и процесс всасывания в полости за шаром закончатся.
Если шар быстро переместить из крайнего правого положения в крайнее левое (первоначальное), а вращение цилиндра продолжить, то процессы всасывания, сжатия и нагнетания воздуха повторятся.
Рис. 6. Четыре положения вращающихся винтов компрессора:
1 – канавка; 2 – винтовой зуб
Упрощенный винтовой компрессор (рис. 6) состоит из двух роторов: верхнего с винтовой впадиной (канавкой) шарового профиля и вспомогательного с винтовым зубом специального профиля, который играет роль шара. Оба ротора вращаются навстречу друг другу (показано стрелками). При этом зуб контактирует с канавкой по линии так же, как шар, разделяя полость канавки на две части. В левой части впадины, объем которои увеличивается, будет происходить процесс всасывания (рис. 6, I), а в правой, объем которой уменьшается, – процессы сжатия (рис. 6, II, III) и нагнетания (рис. 6, IV).
В действующих винтовых компрессорах (рис. 7) оба ротора заключены в цилиндр с двумя боковыми (торцовыми) крышками. Основной ротор винтового компрессора имеет обычно шесть канавок, вспомогательный — четыре винтовых зуба. При вращении роторов (см. рис. 6) последовательно включаются в работу все шесть канавок и четыре зуба (I—IV).
Рис. 7. Четыре положения (I–IV) вращающихся винтов маслозаполненного компрессора:
1, 3 – винты; 2 – корпус цилиндров; 4 – канавка; 5 – винтовой зуб
Поскольку частота вращения роторов высокая и в течение одного оборота сжатие воздуха происходит в нескольких полостях, компрессор создает почти равномерный поток сжатого воздуха.