4.1. Принцип работы водокольцевых компрессоров

Водокольцевые компрессоры спроектированы по очень простой схеме (см. рис. 3): цилиндр круглого сечения, в котором вращается эксцентрично установленное рабочее колесо с лопатками, пространство между колесом и цилиндром частично заполнено водой или другой жидкостью с небольшой вязкостью. При достаточной скорости вращения рабочее колесо захватывает жидкость, которая образует кольцо, следуя внутреннему профилю цилиндра. В месте, где рабочее колесо ближе всего к стенке цилиндра, жидкостное кольцо примыкает к ступице рабочего колеса; в диаметрально противоположном месте кольцо максимально удалено от ступицы колеса, и погруженными в жидкость остаются лишь концы лопаток. Серповидное пространство между колесом и жидкостным кольцом разделено лопатками на несколько ячеек, которые с поворотом ротора то увеличиваются, то уменьшаются. При увеличении объема ячеек в них всасывается газ, при уменьшении объема газ в них сжимается и далее нагнетается. Газ входит в цилиндр и выходит из него через окна в торцовых крышках, закрывающих цилиндр с обеих сторон. В месте максимального выхода лопаток из водяного кольца, в конце всасывания газа в цилиндр, подается необходимое количество охлаждающей воды взамен нагретой воды, унесенной вместе с газом через нагнетательное окно. Температура воды повышается за счет тепла газа, нагревающегося при сжатии, тепла, образующегося при вихревом движении воды между лопатками, а также за счет тепла трения уплотнений. В водоотделителе (рис. 37), установленном на нагнетательном трубопроводе, вода отделяется от газа и идет в сток или после охлаждения поступает опять в компрессор.

Схема компоновки водокольцевого вакуум-насоса и водоотделителя

Рис. 37. Схема компоновки водокольцевого вакуум-насоса и водоотделителя:
1 – вакуум-насос; 2 – смотровое стекло; 3 – вакуумметр;
4 – обратный клапан; 5 – запорный вентиль; 6 – подвод охлаждающей воды; 7 – нагнетательный трубопровод для воздуха и нагретой воды; 8 – запорный вентиль;
9 – водоотделитель; 10 – выход воздуха; 11 – указатель уровня воды

Замкнутый цикл охлаждающей воды применяется, например, в том случае, когда в отделившейся воде находится абсорбированный газ, или при работе небольших вакуум-насосов, расходующих небольшое количество воды, которая охлаждается за счет отвода тепла в окружающее пространство.

Водокольцевой компрессор – машина с внутренним сжатием, так как газ сжимается внутри компрессора. Одновременно водокольцевой компрессор – это компрессор с установленной степенью повышения давления, поскольку давление в ячейке непосредственно перед ее совмещением с нагнетательным окном зависит от геометрии компрессора, от отношения объема ячейки перед нагнетанием к объему в конце всасывания.

Нагнетательное окно и шариковые клапаны водокольцевого вакуум-насоса

Рис. 38. Нагнетательное окно и шариковые клапаны водокольцевого вакуум-насоса

Величина постоянной степени повышения давления определяется положением всасывающего и нагнетательного окон. Постоянная степень повышения давления является недостатком этих машин в случае, когда при эксплуатации требуется менять действительную степень повышения давления. Более низкая действительная степень повышения давления по сравнению с установленной в компрессоре приводит к потерям энергии и, особенно у вакуум-насосов, к большим напряжениям в машине. Как и у пластинчатых компрессоров, этот недостаток устраняется установкой самодействующих клапанов (рис. 38) перед нагнетательным окном. Уже при совсем небольшом повышении давления в ячейке по сравнению с давлением на нагнетании шариковый клапан открывается и газ через этот клапан выходит из цилиндра в нагнетательную полость, чем предупреждается излишнее повышение давления. Последнее у вакуум-насосов могло бы привести к увеличению в несколько раз нагрузки на вал и подшипники (см. рис. 17). При небольшой степени повышения давления, предусмотренной конструкцией, самодействующие нагнетательные клапаны у водокольцевых компрессоров не устанавливаются, поскольку это усложняет и удорожает машину.

В описанных компрессорах и вакуум-насосах с входом и выходом газа через торцы рабочего колеса имеются значительные гидравлические потери в окнах. Определенное уменьшение потерь достигается при установке по торцам рабочего колеса профильных крышек, в которых происходит плавный поворот газового потока с подводом и отводом газа через отверстия в полом конусе со всасывающими и нагнетательными каналами (рис. 39). В этом конусе вращается ступица рабочего колеса. Дальнейшее уменьшение аэродинамических потерь достигается применением принципа двойного действия. Цилиндр имеет не круглое, а эллиптическое сечение, и ось рабочего колеса совпадает с осью этого цилиндра. Вместо одного серповидного пространства между колесом и водяным кольцом образуются два серповидных пространства, и поэтому ячейка между двумя лопатками колеса и водяным кольцом наполняется и освобождается от газа дважды за один оборот колеса. При этом не только увеличивается сжимаемое количество газа, но улучшаются энергетические показатели работы машины, взаимно уравновешиваются «действующие на вал радиальные силы и, следовательно, значительно разгружаются подшипники. Вал и подшипники конструируются меньшего диаметра, уменьшается и диаметр уплотнения. Преимущества конструкции двойного действия проявляются главным образом у компрессоров, работающих при высоких давлениях или имеющих большую производительность.

Водокольцевой вакуум-насос двойного действия

Рис. 39. Водокольцевой вакуум-насос двойного действия:
А – нагнетательное пространство; В – всасывающее пространство; 1 – корпус цилиндра; 2– всасывающий патрубок; 3 – нагнетательный патрубок; 4 – крышка; 5 – подшипник; 6 – ротор; 7 – распределительная камера; 8 – водяной трубопровод

Производительность водокольцевого компрессора двойного действия, однако не превышает в два раза производительность компрессора простого действия. Учитывая, что время всасывания, сжатия и нагнетания газа сокращается наполовину при равной с компрессором простого действия скорости вращения, лопатки ротора компрессора двойного действия делаются более короткими.

Для уменьшения гидравлических потерь в водокольцевом компрессоре применяется конструкция с неподвижным ротором и вращающимся цилиндром. Экспериментально доказана возможность сжатия газа в таком одноступенчатом компрессоре до давления 1 Мн/кв.м.

© 2017: ООО Техпром-Н, производство компрессоров ВР 8, компрессорных станций КС