Основные конструктивные схемы компрессоров

Область применения роторных компрессоров лежит в пределах: по давлению нагнетания 0,11-2,5 мПа; по производительности от 0,002 до 8,3 куб.м/с. Расширяется также область по производительности компрессоров. Например, в машинах типа «Рутс» достигнута производительность 36 куб.м/с, а фирма «SRM» (Швеция) разработала винтовой компрессор для автомобильных кондиционеров производительностью 0,0166 куб.м/с.

Наиболее распространены следующие типы роторных компрессоров:

Схема ротационно-пластинчатого одновального компрессора

Имеется цилиндр, в котором вращается эксцентрично расположенный ротор с несколькими продольными радиальными или наклонными глубокими пазами. В этих пазах уложены пластины, которые при вращении ротора своими внешними краями скользят по внутреннему диаметру цилиндра и прижимаются к нему центробежными силами.

Серповидное пространство между цилиндром и ротором, ограниченное с торцов крышками, разделено пластинами на ячейки различной величины. От места, где ротор почти касается цилиндра, до диаметрально противоположного места объем ячеек увеличивается, и в ячейки начинает всасываться газ через окно в цилиндре. По достижению 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.

Схема компрессора с катящимся ротором и пластиной

Ротор круглого сечения, прилегающий к стенке цилиндра, вращается вокруг оси цилиндра. Между ротором и зеркалом цилиндра остается при движении зазор, равный 0,1-0,2 мм. Серповидное пространство между ротором и цилиндром разделено пластиной на всасывающую и нагнетательную часть. Пластина направляется в радиальном направлении прорезью в цилиндре и прижимается к поверхности ротора пружинами.

 

 

 

 

Схема компрессора с катящимся ротором и пластиной, жестко связанной с ротором

Ротор круглого сечения, прилегающий к стенке цилиндра, вращается вокруг оси цилиндра. Между ротором и зеркалом цилиндра остается при движении зазор, равный 0,1-0,2 мм. Серповидное пространство между ротором и цилиндром разделено пластиной на всасывающую и нагнетательную часть.

Пластина отлита совместно с ротором, или жестко с ним соединена, и в этом случае с небольшим зазором скользит в цилиндрической направляющей, которая при движении пластины качается в своем гнезде.

 
 

Схема жидкостно–кольцевого компрессора

Простота конструкции и эксплуатации, низкая стоимость изготовления, высокая надежность, отсутствие трущихся элементов и масла в рабочей полости обусловили использование жидкостно–кольцевых компрессоров во многих отраслях промышленности. 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 торцевых 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.

Жидкостно–кольцевые компрессоры работают на химических заводах искусственных волокон, фармацевтики, красок, пластмасс, в области химии углеводородов. Наряду с перечисленными преимуществами они имеют существенный недостаток – низкий КПД из-за утечек газа и гидравлических потерь, связанных с несовершенством работы колеса в кольце жидкости. Особенно низок КПД в области степеней повышения давления более 2,5.

Схема роторно–шестеренной газодувки типа Рутс

Из машин внешнего сжатия наибольшее распространение получила газодувка Рутс. Имеется два одинаковых ротора, напоминающим цифру восемь, насаженных на параллельно расположенные валы. Эти роторы для синхронизации связаны между собой парой чаще всего косозубых, но лучше шевронных шестерен с точно отшлифованными зубьями.

Всасывающее и нагнетательное окна расположены на средней части цилиндра между обеими осями роторов. Между стенками цилиндра и роторами образуются замкнутые полости, соединяющиеся или со всасывающим, или с нагнетательным окнами. 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.

Несовершенство термодинамического процесса сжатия из-за переноса несжатого газа из области всасывания в область нагнетания оценивается теоретическим адиабатным КПД, представляющим отношение адиабатной работы к идеальной работе при внешнем сжатии.
Формула КПД
где k – показатель адиабаты; π – отношение давлений в компрессоре.

С ростом π величина ню-ад компрессора внешнего сжатия резко падает и при π =1,8 составляет 0,78. Очевидно, что не имеет смысла применение газодувок Рутс при больших давлениях. Из-за простоты конструкции и надежности работы они, как машины «сухого» сжатия, при небольших давлениях применяются для систем пневмотранспорта порошковых и гранулированных материалов, для пищевой и химической промышленности, для наддува двигателей внутреннего сгорания, в очистительных устройствах, в горном деле и для других целей.

Схема двухроторного винтового компрессора

Наибольшее применение среди роторных машин вследствие хороших энергетических показателей и надежной работы получили винтовые компрессоры. Поэтому в большинстве случаев энергетические показатели и внутренние процессы роторных компрессоров сравниваются с винтовыми. В настоящее время винтовые компрессоры выпускают более 50 фирм в 15 странах мира.

На роторах компрессора не образуется полного витка. Угол закрутки зуба по длине ротора достигает у ведущего ротора 210°, а у ведомого 140°. Рабочий цикл имеет фазы: всасывания, переноса, сжатия и нагнетания.

Всасывание. В пространство между зубьями обоих роторов, образующееся на стороне всасывающего окна при вращении роторов, через окно входит газ. С поворотом ротора это пространство непрерывно увеличивается, пока с торцевой стороны, где расположено нагнетательное окно, зубья не выйдут из зацепления.

Перенос. Когда полость между зубьями перейдет через всасывающее окно, ее соединение с этим окном прекратится, газ, находящийся в указанной области, без изменения давления (если не учитывать перетечки) будет перенесен на сторону нагнетания.

Сжатие. С торцевой стороны всасывающего окна в пространство между зубьями начинает проникать зуб ротора. С поворотом роторов место контакта (зацепления) зубьев перемещается к торцевой стороне нагнетательного окна, при этом в пространстве между зубьями происходит сжатие газа.

Нагнетание. При повороте пространства между зубьями и соединении его с нагнетательным окном происходит нагнетание сжатого газа через окно с одновременным уменьшением объема пространства между зубьями. Практически нагнетается весь газ, поскольку объем мертвого пространства составляет менее 1% теоретического всасываемого объема. При обычно невысокой у винтовых компрессоров степени повышения давления расширением газа из мертвого пространства можно пренебречь.

Схема однороторного винтового компрессора

В единый корпус помещены винт-ротор и два отсекающих устройства. Материалы, из которых изготовлены винт-ротор и отсекатели, подобраны таким образом, что образуют антифрикционную пару. При вращении винта винтовые полости поочередно изолируются от камеры всасывания зубьями отсекателей. Сжатие газа в компрессоре происходит параллельно в двух противоположных винтовых полостях, что позволяет разгрузить винт-ротор от действия радиальных и части осевых сил.
 

Схема роторного компрессора с частичным внутренним сжатием

В компрессорах с частичным внутренним сжатием большая часть газа сжимается внутри компрессора, а другая, меньшая, переносится ведомым ротором из области всасывания в область нагнетания без сжатия. Так как количество газа, переносимого на нагнетание без внутреннего сжатия доходит до 22% от общей производительности компрессора, то КПД его, особенно при высоких π, низок. Зависимость ню-адт, учитывающего несовершенство процесса вследствие переноса части несжатого газа на нагнетание, от величины π определяется из выражения
формула
где Р вс и Р н — давления всасывания и нагнетания; V0 – суммарный объем полостей ведущего и ведомого роторов; V’ и V” – объемы полостей ведущего и ведомого роторов, соответственно.

К недостатку компрессоров с частичным внутренним сжатием относится и то, что степень внутреннего сжатия газа в компрессоре для выбранных геометрических параметров роторов остается постоянной. Чтобы получать разные степени внутреннего сжатия в корпусе одного компрессора, необходимо либо изменять число зубьев, либо выбирать разные относительные высоты зубьев роторов или применять различные типы профилей. Это значительно уменьшает возможности унификации. Компрессоры с частичным внутренним сжатием используются в детандерных установках, в агрегатах наддува ДВС, для транспортирования сыпучих материалов (гранулатов, цемента, извести, соды, гипса и др.). По принципу действия они занимают промежуточное положение между компрессорами внешнего и полного внутреннего сжатия.

Схема компрессора с полным внутренним сжатием (газодувка Биссера)

Стремление соединить хорошее использование объема в газодувке Рутс с лучшим КПД, чем она имеет на больших π, привело к созданию газодувки Биссера.

Достоинством ее является возможность регулирования внутренней степени повышения давления изменением положения грани, ограничивающей нагнетательное окно.

Рабочее пространство газодувки Биссера состоит из двух взаимосвязанных полостей, образующих кольцевое сечение. В каждой из этих полостей вращаются вокруг втулки два зуба, выполняющие функции поршня. Движение обеих пар зубьев осуществляется парой одинаковых цилиндрических шестерен. Между зубьями и стенкой цилиндра, как и между самими зубьями, постоянно сохраняется небольшой зазор, уменьшаемый масляной пленкой. Между зубьями имеются просветы, а втулки имеют прорези. Газ входит через торцевое окно в правую втулку, после поворота зубьев просвет между зубьями совпадает с прорезью во втулке, и газ поступает в полость цилиндра. В момент, когда просвет между зубьями правого ротора пройдет через заднюю грань проточки на втулке, наполнение полости цилиндра закончится и начнется ее перемещение с повышением давления за счет перетечки газа.

Анализ конструкции показывает, что недостаток этой машины – энергетические потери в связи с изохорным повышением давления в первоначальный момент сжатия.

Кроме того, относительно велик объем мертвого пространства. Следовательно, имеет место перенос части газа, находящегося под давлением нагнетания, в полость всасывания. Все это показывает на невозможность получения приемлемых КПД, позволяющих компрессору Биссера конкурировать с другими типами машин.

Схема роторного компрессора с полным внутренним сжатием

В области малых производительностей большой практический интерес представляют прямозубые роторные компрессоры. Они просты в изготовлении, надежны в работе, имеют большой ресурс работы вследствие полного отсутствия осевых сил. Привод таких компрессоров может быть осуществлен непосредственно от электродвигателя, так как оптимальная окружная скорость при частоте омега1 получается выбором требуемого для этого диаметра роторов, а производительность – варьированием длины профильной части роторов. Это позволяет устанавливать роторы на подшипниках качения, отказаться от мультипликатора, упростить маслосистему и получить высокий механический КПД. В результате выполнения на цилиндрической поверхности ведомого ротора уравнительного канала, а на ведущем роторе – ответного выступа, обеспечивается полное внутреннее сжатие и получение ню-ад, равного единице при всех π.

Схема спирального компрессора

Необходимость в высоко экономичной, надежной, компактной, малошумной компрессорной машине небольшой и малой производительности привела к созданию в Японии в начале 1980-х годов спиральных компрессоров.

В них реализована новая форма рабочих органов – спиралей, относительное расположение которых в сочетании с оригинальной кинематикой успешно осуществляет циклически повторяющийся дискретный рабочий процесс объемной машины. Возможности самого механизма весьма велики: от простого вытеснения при неизменном объеме ячеек (полостей), до существенного изменения объема ячеек за рабочий период – условие, обеспечивающее внутреннее сжатие в компрессоре.

Спиральный компрессор состоит из подвижной и неподвижной спиралей, вставленных одна в другую с разворотом на 180°. Вблизи неподвижной спирали имеется отверстие для выхода сжатого газа и два отверстия для его входа. Между спиралями — две или больше парных замкнутых полостей, объем которых при относительном движении спиралей изменяется. Подвижная спираль совершает орбитальное движение.