5.1. Двухроторные газодувки и вакуум насосы с внешним сжатием

Из двухроторных газодувок наиболее известна газодувка Рутса. Она имеет два одинаковых ротора сечением, напоминающим цифру восемь (рис. 44), насаженных на параллельно расположенные валы. Эти роторы для синхронизации связаны между собой парой чаще всего косозубых, но лучше шевронных (шестерен с точно отшлифованными зубьями. В отличие от шестеренчатых насосов газодувки Рутса не могут работать без синхронизирующей пары шестерен, благодаря которым роторы вращаются в различных направлениях. Всасывающее н нагнетательное окна расположены в средней части цилиндра между обеими осями роторов^ Окна должны иметь большое сечение, чтобы при обычной для этих машин высокой скорости вращения в цилиндр поступало и вытеснялось достаточное количество газа без значительных гидравлических потерь. Между стенками цилиндра и роторами образуются замкнутые полости, соединяющиеся или со всасывающим, или с нагнетательным окнами. Одновременного соединения полости со всасывающим и нагнетательным окнами быть не должно. После перекрытия ротором всасывающего окна газ переносится роторами без повышения давления к нагнетательному окну, и только после соединения полости с нагнетательным окном давление в этой полости повысится за счет газа, перетекающего из нагнетательного пространства.

Двухроторная воздуходувка с синхронизирующими шевронными шестернями

Рис. 44. Двухроторная воздуходувка с синхронизирующими шевронными шестернями

Индикаторная диаграмма газодувки Рутса в координатах р–V

Рис. 45. Индикаторная диаграмма газодувки Рутса в координатах р–V (для сравнения штриховой линией показана кривая сжатия в газодувке с внутренним сжатием)

Индикаторная диаграмма газодувки Рутса (рис. 45) приближенно имеет форму прямоугольника. На оба ротора постоянно действует давление нагнетания, поэтому подшипники этих машин даже при небольшом перепаде давлении значительно нагружены. С ростом степени повышения давления увеличивается разница между индикаторной работой газодувки и адиабатической работой, и поэтому ухудшаются энергетические показателя, особенно в связи со значительным увеличением потерь от неплотности с возрастанием степени повышения давления. Вследствие потерь от неплотностей в газодувках Рутса происходит большее повышение температуры газа, чем в компрессорах других типов при равных степенях повышения давления.

Диаграмма, показывающая зависимость количества нагнетаемого газа от угла поворота роторов газодувки Рутса

Рис. 46. Диаграмма, показывающая зависимость количества нагнетаемого газа от угла поворота роторов газодувки Рутса

В газодувках Pvrca с двумя роторами газ нагнетается непрерывно, но неравномерно, как это видно из рис. 46: возникают пульсации газа в трубопроводе и неравномерный момент у привода газодувки. Поэтому в больших машинах цилиндр разделен на две равные части стенкой, перпендикулярной осям роторов. Каждый ротор также разделен на две части, насаживаемые на вал со смещением одна относительно другой, например, на 60° (рис. 47). Этим снижается пульсация газа в трубопроводах, уменьшается шум от газодувки, и момент на валу привода становится более равномерным.

Роторы газодувки Рутса со смещенными относительно друг друга частями

Рис. 47. Роторы газодувки Рутса со смещенными относительно друг друга частями

На крупных машинах устанавливают и по три части ротора, насаженные на одном валу, со смещением на 45°.

Газодувка с трехзубчатым ротором

Рис. 48. Газодувка с трехзубчатым ротором

Все приведенные выше газодувки Рутса имеют прямые двухзубчатые роторы. Более равномерное нагнетание сжатого газа достигается также применением трехзубчатых роторов с большим углом подъема спирали (рис. 48). Оба ротора имеют зубья одинакового профиля, но у одного ротора спираль правая, у другого – левая. Примерно такого же уменьшения пульсации, какое получаем при спиральных роторах, можно достигнуть применением наклонных входной или выходной граней у окна в цилиндрах (рис. 49).

Газодувка Рутса с наклонными гранями всасывающего и нагнетательного окон

Рис. 49. Газодувка Рутса с наклонными гранями всасывающего и нагнетательного окон

Поскольку между ротором и зеркалом цилиндра постоянно сохраняется небольшой зазор (порядка 0,0015–0,0025R, где R – внешний радиус ротора), а между роторами и между ротором и торцом цилиндра зазор принимается примерно в полтора раза больше, внутри машины исключается соприкосновение металлических деталей. Вследствие этого отпадает необходимость в смазке роторов и цилиндра, что во многих случаях является большим преимуществом машины Поэтому, газодувки Рутса широко применяются па газовых заводах, в металлургии, в пищевой и химической промышленности, для пневматического транспорта, при нагнетании воздуха в печи и для многих других целей.

Ценным качеством газодувок Рутса является то, что они пригодны для нагнетания газа с большим содержанием пыли и твердых частиц. При этом не происходит недопустимого износа деталей машины. Другие ценные качества газодувок Рутса – надежность и долговечность в работе благодаря исключительной простоте конструкции. Дальнейшее усовершенствование газодувок Рутса явилось результатом их широкого применения для поддува небольших и средних двигателей дизеля. Соединение газодувки Рутса с быстроходным двигателем привело к значительному увеличению скорости вращения газодувки, а значительное увеличение серийного производства дало возможность кардинально улучшить технологию изготовления.

По сравнению с центробежными и осевыми газодувками газодувки Рутса имеют большое преимущество в транспортных установках, работающих при сильно меняющейся скорости вращения. Центробежные и осевые газодувки небольших размеров имеют низкие экономические показатели и для повышения скорости вращения требуется редуктор.

Газодувка судового реверсивного двигателя

Рис. 50. Газодувка судового реверсивного двигателя (самодействующие клапаны лают всасываемому воздуху нужное направление в зависимости от направления вращения вала)

На рис. 50 показана конструкция газодувки судового двигателя с реверсом скорости газодувки Рутса применяются с производительностью по всасыванию от 10 до 60000 куб.м/ч, а вакуум-насосы – до 100000 куб.м/ч.

Самыми крупными потерями в газодувках Рутса являются потери от неплотностей. Поэтому эти газодувки применяются при степенях повышения давления до 1,4 и в исключительных случаях – до 1,8. При более высоких степенях повышения давления – примерно до 2,5 – применяется двухступенчатое сжатие; при этом между обеими ступенями газодувок устанавливается промежуточный холодильник. Может показаться парадоксальным тот факт, что газодувки Рутса нашли широкое применение для работы в области среднего вакуума (давление от 1 до 0,001 мм рт. ст.). В этой области работают вакуум-насосы, сконструированные по принципу газодувок Рутса, со степенью повышения давления, превышающей 50, в то время как для неглубокого вакуума при степенях повышения давления выше 3 эти машины не нашли применения. Это объясняется тем, что в области среднего вакуума отрезок свободного пути молекул возрастает и становится больше размеров зазоров в машине, при этом значительно снижаются перетечки газа через зазоры. Вакуум-насос Рутса должен поэтому в общем работать в комбинации с иными вакуум-насосами, обычно масляными пластинчатыми или с катящимся ротором (подробнее об этом см. далее в главе «Компрессорные станции»).

Шестеренчатый компрессор со встроенным ресивером для уменьшения пульсации в трубопроводах.

Рис. 51. Шестеренчатый компрессор со встроенным ресивером для уменьшения пульсации в трубопроводах.
1 – ресивер; 2 – каналы для выравнивания давления

Газодувки с роторами, имеющими профиль очень широких зубчатых колес с малым числом зубьев, многие авторы называют шестеренчатыми (рис. 51). По сравнению с газодувками, имеющими профиль ротора, напоминающий цифру восемь, шестеренчатый ротор изготовляется более простым и точным способом обкатки.

По данным при эвольвентном профиле зуба оптимальным углом зацепления для двухзубчатого ротора будет угол, равный или несколько меньший 47°40′, для трехзубчатого 40°35′ и для четырехзубчатого – 36°10′.

Радиальный зазор между роторами должен быть больше суммы монтажных зазоров в подшипниках и зазора, вызванного износом подшипников. Вследствие этого ротор, как правило, устанавливается на подшипниках качения, в которых эти зазоры меньше, чем в подшипниках скольжения. Другими преимуществами подшипников качения является их малая осевая длина и меньшие механические потери, а, следовательно, и меньший нагрев. Оба эти фактора также влияют и на величину торцовых зазоров роторов.

При точно изготовленных и аккуратно смонтированных синхронизирующих шестернях, тщательной укладке роторов и небольших механических потерях в уплотнениях, особенно, если установлены лабиринтные уплотнения, газодувки Рутса имеют высокий механический КПД, достигающий f031-6 и выше.

Как и остальные объемные компрессоры, газодувки Рутса должны иметь предохранительные клапаны. Эти клапаны устанавливаются в нагнетательном трубопроводе перед запорным вентилем.

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