Область применения одноступенчатых компрессоров ограничена давлением нагнетания 0,25 Мн/кв.м (2,5 кГ/кв.см), в отдельных случаях 0,4 Мн/кв.м, а двухступенчатых – давлением 0,8 Мн/кв.м. В одноступенчатых пластинчатых вакуум-насосах обычно достигают вакуума 70–90%, в двухступенчатых – до 99,9%. Пластинчатые компрессоры имеют производительность по всасыванию от 5 до 10000 куб.м/ч и обороты от 300 до 2800 в минуту.
Пластинчатый компрессор (см. рис. 1) имеет цилиндр 1, в котором вращается эксцентрично расположенный ротор 2, имеющий несколько продольных радиальных или наклонных глубоких пазов. В этих пазах уложены пластины 3. Эти пластины при вращении ротора своими внешними краями скользят по внутреннему диаметру цилиндра и прижимаются к нему центробежными силами. Пространство серповидного сечения между цилиндром 1 и ротором 2, ограниченное с торцов крышками, разделено пластинами на ячейки различной величины. От места, где ротор почти касается цилиндра, до места диаметрально противоположного объем ячеек увеличивается, и в ячейки начинает всасываться газ через окно 4 в цилиндре. По достижении ячейкой максимального объема ячейка и окно разобщаются, объем ячеек начинает уменьшаться, и заключенный в них газ сжимается. Сжатие в ячейке заканчивается в момент перехода передней пластины (по направлению вращения) верхней кромки нагнетательного окна, при этом открывается выход газа в нагнетательный патрубок. С дальнейшим уменьшением ячейки газ продолжает выходить в нагнетательное окно до того момента, когда задняя пластина ячейки не перейдет через нижнюю кромку нагнетательного окна. Герметичность нагнетательного пространства по отношению к всасывающему зависит от ряда факторов от зазора между ротором и цилиндром в месте их максимального приближения, от числа разделяющих эти пространства пластин и от зазора между ротором и крышками цилиндра. В машинах без разгрузочных колец делается небольшая выемка для ротора в корпусе цилиндра в месте минимального расстояния до ротора. Она обеспечивает минимальный радиальный зазор не по прямой, а по части цилиндрической поверхности. Тем самым можно значительно уменьшить перетечки газа через радиальный зазор и почти полностью устранить мертвое пространство.
При больших окружных скоростях стальных пластин центробежная сила, прижимающая их к цилиндру, становится очень большой, н скольжение пластины по цилиндру привело бы к значительному взаимному износу. Поэтому по краям цилиндра вкладываются вращающиеся бронзовые или чугунные разгрузочные кольца 1 (рис. 6) с внутренним диаметром, на несколько десятых миллиметра меньшим, чем внутренний диаметр цилиндра. Благодаря этим кольцам между пластинами и цилиндром возникает небольшой зазор, чем предупреждается износ зеркала цилиндра. Хотя удельное давление пластины на кольца становится больше, чем при трении пластины о зеркало цилиндра, взаимный износ колец и пластин меньше вследствие небольшой относительной скорости между пластинами и разгрузочными кольцами, вращающимися вместе с ротором. Относительная скорость пластин по отношению к равномерно вращающимся разгрузочным кольцам возникает вследствие того, что окружные скорости концов лопаток меняются в зависимости от расстояния этих концов от оси ротора.
Рис. 6. Пластинчатый компрессор с наклонными лопатками и разгрузочными кольцами.
Рис. 7. Узел компрессора
1 – разгрузочное кольцо; 2 – уплотняющие пластины; 3 – пластины
Чтобы предупредить потери от перетекания газа вокруг разгрузочных колец с нагнетания на всасывание, в кольцах сделаны радиальные канавки, в которые вложены небольшие легкие пластиночки 2 (рис. 7), не вызывающие значительного износа. Через радиальные сверления в зазор между цилиндром и кольцами для уменьшения потерь трения колец подается масло. Несмотря па указанные меры, при высоких скоростях вращения возникает значительное трение п происходит большой износ пластин. Поэтому была предложена конструкция, в которой центробежные силы двух противоположно расположенных пластин в значительной мере уравновешиваются. Из-за сложности изготовления эта конструкция распространения не получила.
У машин малой мощности и с небольшой скоростью вращения как, например, у масляных вакуум-насосов, центробежной силы не хватает для уплотнения пластин, и поэтому пластины дополнительно прижимаются к цилиндру спиральными пружинами.
При проектировании пластинчатого компрессора следует учитывать, что, как показывает долголетний опыт, КПД этой машины в значительной степени зависит от перетеканий газа через зазоры между ротором и крышками цилиндра. Поэтому отношение длины L цилиндра к его диаметру D для одноступенчатого компрессора и для первой ступени двухступенчатой машины принимают L/D=1,5÷2,5, а величину торцовых зазоров такой, чтобы при температурных расширениях ротора и пластин в охлаждаемом цилиндре избежать задиров.
Наиболее нагруженными деталями пластинчатых компрессоров являются пластины. С учетом напряжений и деформаций пластин для вакуум-насосов и компрессоров низкого давления (до избыточного давления 0,15 Мн/кв.м) принимают эксцентриситет ротора е=0,14R, где R – радиус цилиндра. При давлении до 0,4 Мн/кв.м берется е=0,115R. Высота пластин S=3,8e.
В зависимости от размеров машины, перепада давления в компрессоре, от материала пластин, способа смазки и охлаждения ставят от 2 до 30 пластин. Большему числу пластин соответствует меньший перепад давлений между соседними ячейками. При этом уменьшаются потери от перетечек и снижаются изгибающие напряжения в пластинах, но одновременно возникает большой износ в цилиндре. Пластины из графита, пластических масс или из других малопрочных материалов должны быть большей толщины, чем стальные. Чтобы из-за объема пластин не снижалось количество всасываемого газа, устанавливают меньшее число пластин, хотя это и приводит к большому перепаду давлении между соседними ячейками. Меньшее число пластин возможно при обильной смазке цилиндра, благодаря которой снижаются потери от неплотности. При внутреннем охлаждении компрессора впрыском масла необходимо иметь небольшое число пластин, в противном случае возрастут гидродинамические потери. Пазы для пластин в роторе делают радиальными (см. рис. 14) или наклонными к плоскости, проходящей через ось ротора под небольшим углом (рис. 8). Второй вариант с наклонными пазами дает снижение трения на гранях пластин в пазу, поскольку результирующая сила реакции цилиндра проходит примерно по направлению наклонного паза в роторе.
Рис. 8. Пластинчатый компрессор с клапанами на стороне нагнетания и его индикаторная диаграмма
Средняя окружная скорость стальных пластин принимается 12–13 м/сек. При профилировании концов пластин согласно гидродинамической теории смазки допустима скорость до 16 м/сек. Для графитовых пластин можно принять среднюю скорость 8 м/сек. Фирма Морган Круцибль и К° (Англия), выпускающая графитовые пластины, допускает для своих изделий скорость до 10 м/сек, в литературе имеются указания на скорость до 12 м/сек.
Пластинчатые компрессоры имеют в большинстве случаев непосредственный привод от двигателя, чаще всего от электромотора. Двухступенчатые компрессоры ставят на одной оси один за другим. Только в отдельных агрегатах с воздушным охлаждением, предназначенных главным образом для транспортных установок, вторая ступень устанавливается над первой, а роторы обеих ступеней связываются парой одинаковых цилиндрических шестерен.
При клиноременной передаче от мотора к компрессору двигатель размещается на компрессоре, такое расположение делает агрегат очень компактным.
У двухступенчатых компрессоров с внутренним охлаждением впрыском масла достигается столь хорошее охлаждение, что отпадает необходимость в промежуточном холодильнике. Одновременно благодаря улучшению смазки и вымыванию продуктов износа маслом уменьшается износ компрессора.
Пластинчатые компрессоры – это машины с установленной степенью сжатия, которая определяется геометрией компрессора и главным образом положением верхней кромки нагнетательного окна. Для компрессоров с сильно меняющимся давлением всасывания или нагнетания целесообразно установить несколько клапанов, через которые газ будет подаваться в нагнетательный патрубок, если давление в цилиндре превысит давление нагнетания (см. рис. 8).
Пластинчатые компрессоры работают при одном направлении вращения, которое указано на машине. Достоинством этих компрессоров является небольшой пусковой момент, поскольку до прижатия пластин к цилиндру, что достигается при значительной скорости вращения, они работают вхолостую. Пластинчатые компрессоры имеют равномерный крутящий момент и поэтому не требуют маховика.