У малых машин и при небольших степенях повышения давления рабочее колесо насаживается на вал, и машина имеет только одно уплотнение. Такой компрессор с односторонним всасыванием н нагнетанием газа сравнительно короче. Всасывающее и нагнетательное окна отлиты в той крышке, в которой смонтировано уплотнение. Очень часто, однако, рабочее колесо конструируется с двусторонним всасыванием. Колесо становится длиннее и меньшего диаметра; снижаются потери от перетекания газа по торцам и гидравлические потери, а рабочее колесо может работать с более высокой скоростью вращения.
При высоких давлениях нагнетания в крупных компрессорах и вакуум-насосах простого действия на вал насаживаются два рабочих колеса, причем против каждого колеса эксцентрично установлены цилиндры, которые смещены один относительно другого на 180°, чем значительно снижается нагрузка на вал.
Рис. 43. Двухступенчатый компрессор фирмы Сименс-Шукерт, имеющий конечное давление нагнетания 0,6 Мн/кв.м (правый цилиндр работает как первая ступень, левый – как вторая): 1 – рабочие колеса; 2 – крышки
Для улучшения герметичности в уплотнения под давлением нагнетания машины подается охлажденная вода. Вода подводится или в пространство между цилиндром и уплотнением или между уплотняющими кольцами (рис. 43). Вал, проходящий через крышки цилиндров, как правило, имеет мягкое уплотнение. Вал в уплотнении часто защищен от коррозии втулкой из бронзы или другого коррозионностойкого материала. Особенно высокие требования предъявляются к герметичности уплотнений машин, в которых для жидкостного кольца в цилиндре применена кислота или сильная щелочь, либо токсичная или огнеопасная жидкость. В этих случаях корпус подшипника устанавливается на крышке цилиндра и имеет закрытую конструкцию с окном для наблюдения.
В обычных конструкциях вал установлен на подшипниках, расположенных от уплотнений на расстоянии, достаточном для их демонтажа. Корпуса подшипников, как правило, привернуты к крышкам цилиндра. Во многих случаях крышки отлиты совместно с опорами, которые устанавливаются на фундаментной раме. Составной частью крышек обычно являются всасывающий и нагнетательный патрубки.
В крышках вакуум-насосов с высокой степенью повышения давления устанавливают клапаны с резиновыми шариками, соединяющие полость сжатия цилиндра с нагнетательным патрубком. Клапаны служат для предупреждения излишнего повышения давления в вакуум-насосе. У вакуум-насосов, работающих, как правило, с сильно меняющимся вакуумом, указанные шарики изнашиваются, и поэтому в конструкции вакуум-насоса необходимо предусмотреть соответствующие закрывающиеся люки в крышках для осмотра и замены шариков.
Собственно цилиндр, расположенный между обеими крышками, относительно прост. Вес и трудоемкость изготовления водокольцевой машины можно снизить за счет изготовления цилиндра и его крышек без фланцев. Цилиндр в крышки стягиваются стяжными шпильками, проходящими через отверстия в крышках. Для упорядочения потока газа в рабочее колесо и из колеса в крышку ступица рабочего колеса изготовляется в виде двустороннего конуca.
Большое внимание должно быть уделено конструкции всасывающих и нагнетательных окон в торцовых крышках или во внутреннем конусе, вокруг которого вращается рабочее колесо с лопатками. Конструктор имеет значительно большую свободу при расположении окон в конусах, чем при их размещении в торцовых крышках. С одной стороны, границей окон в крышках является окружность, соответствующая внешней окружности торца ступицы рабочего колеса. Другой ограничительной линией для всасывающего окна является задняя лопатка ячейки максимального сечения. У нагнетательного окна второй граничной кривой является передняя лопатка ячейки в момент, когда получена заданная степень повышения давления. Определение этого положения рассмотрено в гл. 4 п. 2. Дальнейшей границей окон должна быть теоретическая окружность, соответствующая внутренней поверхности жидкостного кольца. Известно, что вследствие изменения давления возникает деформация внутренней поверхности жидкостного кольца. Деформация кольца будет максимальной в зоне, примыкающей к всасывающему и нагнетательному окнам. Поэтому на практике внешний диаметр окон делают меньше теоретического. Вследствие этого уменьшается расход воды, которая в противном случае в излишнем количестве уносилась бы через нагнетательное окно вместе со сжатым газом.
Уменьшение размеров окон приводит, однако, к повышению в них скорости потока газа, а, следовательно, и к увеличению потерь давления. Вследствие этого сжатый газ, замкнутый в ячейке, полностью из нее не выходит за тот момент времени, когда ячейка проходит через нагнетательное окно (при n = 900 об/мин это время у вакуум-насосов составляет 1/120 сек); часть газа переносится на сторону всасывания, поскольку водяное кольцо полностью не прилегает к ступице рабочего колеса. На стороне всасывания происходит расширение газа, при этом количество всасываемого газа уменьшается и коэффициент подачи машины падает. Перенос сжатого газа на сторону всасывания происходит и в результате того, что нагнетательное окно не доходит до линии, соединяющей оси рабочего колеса и цилиндра, а это делается для уменьшения перетечек сжатого газа на всасывание по торцам рабочего колеса.
Опыты показали положительное влияние несколько более позднего соединения ячеек со всасывающим окном, чем это следует из теории.
Только небольшие машины имеют рабочее колесо с радиальными лопатками. Значительно более высокий коэффициент подачи и лучшие энергетические показатели получены у рабочего колеса с загнутыми вперед лопатками (см. рис. 39). Очень плохие результаты показало рабочее колесо с загнутыми назад лопатками. Число лопаток у малых машин берется 8–12, у больших 12–20. Число лопаток выбирается не слишком большим, чтобы не росли потери, связанные с объемом лопаток, и потери, вызванные завихрениями на их краях. От числа лопаток зависит положение граней всасывающего и нагнетательного окон.
Зазор между рабочим колесом и крышками цилиндра в водокольцевых компрессорах оказывает большое, а в вакуум-насосах – решающее влияние на величину коэффициента подачи. Величина зазора, в первую очередь, определяется точностью изготовления. Температурные деформации почти не влияют на зазор, так как машина хорошо охлаждается, а рабочее колесо и цилиндр изготовляются обычно из одного материала, чаще всего из чугуна. Как правило, зазор 0,1–0,2 мм с каждой стороны ротора является достаточным.
Зазор между концами лопаток рабочего колеса и стенкой цилиндра в месте их максимального приближения принимается в пределах 1–4 мм. Для компрессоров сравнительно высокого давления более выгодным является меньший зазор, для вакуум-насосов допустим больший зазор.
Водокольцевые компрессоры и вакуум-насосы применяются во многих отраслях химической промышленности для сжатия агрессивных газов и паров в случаях, когда использование другого типа компрессора невозможно или весьма затруднительно. Чтобы детали компрессора, соприкасающиеся с агрессивной средой, не подвергались коррозии, они или изготовляются из антикоррозионного материала (например, при сжатии влажного хлора применяется титан) или гуммируются мягкой резиной, либо покрываются пластическими материалами и т. д. Во избежание возникновения в вакуум-насосе кавитации не следует при нарушениях в вакуумной системе оставлять работать водокольцевой вакуум насос на холостом ходу с закрытым вентилем на всасывании.
Выбор рабочей жидкости и места ее подвода. Рабочей жидкостью чаще всего является вода.
Подачей воды в цилиндр преследуется четыре цели:
1) уплотнить рабочее колесо по ободу и торцам;
2) отвести тепло сжатия газа и тепло, возникающее при трении жидкости;
3) охладить и смазать внутренние части уплотнений;
4) пополнить жидкостное кольцо, так как часть жидкости уносится газом через нагнетательное окно.
Количество охлаждающей воды прежде всего зависит от мощности водокольцевого компрессора или вакуум-насоса. Например, потребность в охлаждающей воде у вакуум-насосов при вакууме в пределах 30–70% будет максимальной. Далее очевидно, что расход зависит or температуры воды, а также от положения нагнетательного окна.
Имеются случаи, когда давление водяных паров при рабочей температуре недопустимо ухудшает вакуум, достигаемый вакуум-насосом. В таких случаях вода заменяется другой рабочей жидкостью, например, соляным раствором, жидким маслом или серной кислотой; 98%-ная серная кислота хорошо зарекомендовала себя при сжатии влажного хлора.
Подача рабочей жидкости часто осуществляется в месте максимального объема ячейки. Есть примеры, когда подвод охлаждающей воды осуществлен в месте окончания нагнетательного окна. Прижатием водяного кольца к рабочему колесу удалось повысить коэффициент подачи водокольцевого вакуум-насоса на 7,8%.