Первый двухроторный винтовой компрессор был изготовлен в 1934 году фирмой «Ljungstrom» (Швеция) по патенту инженера Лисхольма, что завершило важный этап по реализации прогрессивной идеи неизменно направленного (вращательного) движения рабочих органов машины с полным внутренним сжатием газа.
Принцип действия винтовых компрессоров (ВК) заключается в том, что сжатие газа происходит за счет сокращения объема рабочей полости, образованной поверхностью расточки корпуса, ее задней торцовой плоскостью и винтовыми поверхностями сопряженных впадин роторов.
На рис.1 показаны начальный, промежуточный и конечный моменты сжатия в одной из рабочих полостей винтового компрессора (для наглядности там же показан процесс сжатия в поршневом компрессоре). Началу сжатия предшествует фаза заполнения винтовых впадин газом. Как только пара зубьев вышла из зацепления, следующие за ними сопряженные винтовые впадины начинают заполняться газом из всасывающего патрубка.
1 – начальный момент сжатия; 2- промежуточное положение роторов;
3 – конечный момент сжатия
Заполнение происходит до того момента, когда в результате поворота роторов впадины окажутся отсеченными от области всасывания отсечными кромками всасывающего окна (рис.2), т.е. полностью изолированными. При дальнейшем вращении во впадину ведущего ротора начинает внедряться сопряженный зуб ведомого ротора. Внедрение начинается у переднего торца и постепенно распространяется в направлении к нагнетательному окну. Затем происходит внедрение зуба ведущего ротора во впадину ведомого. С некоторого момента времени обе винтовые впадины объединяются в общую изолированную V- образную полость – рабочую полость I.
1 – ведомый ротор; 2 – ведущий ротор; 3 – всасывающее окно; 4 – корпус;
5 – отсеченная кромка всасывающего окна со стороны ведущего ротора; 6 – нагнетательное окно;
7 –отсеченная кромка всасывающего окна со стороны ведомого ротора
На рис.2,а показано положение роторов, соответствующее сжатию в рабочей полости 1, объем которой непрерывно уменьшается благодаря поступательному перемещению линии “контактирования” сопряженных зубьев по направлению к нагнетательному окну. Термин “контактирование” применен в данном случае условно, для краткости изложения, так как в действительности зубья не касаются друг друга, и поэтому правильнее называть эту линию линией наибольшего сближения поверхностей сопряженных зубьев.
На рис.2,б показано положение роторов в момент окончания сжатия и начала нагнетания. Вершины сопряженных зубьев b и d прошли мимо кромок нагнетательного окна, и рабочая полость 1 соединилась с областью нагнетания. Продолжающееся вращение роторов приводит к дальнейшему сокращению объема рабочей полости и вытеснению из нее газа в момент окончания периода нагнетания. Вытесняется практически весь газ, так как объем вредного пространства составляет меньше 1% объема рабочей полости, что является одним из преимуществ винтового компрессора по сравнению с другими компрессорными машинами вытеснения.
Ввиду того, что число оборотов роторов достигает обычно нескольких тысяч в минуту и одновременно существует несколько рабочих полостей, причем нагнетание из последующей рабочей полости начинается раньше, чем заканчивается вытеснение всего газа из предыдущей рабочей полости, винтовой компрессор создает достаточно равномерный поток. Так же, как и в газодувках типа “Рутс”, вращающиеся роторы переносят газ со стороны всасывания на сторону нагнетания в изолированных полостях, образованных впадинами зубьев и расточкой корпуса. Однако в отличие от этих газодувок благодаря геометрическим свойствам роторов винтового компрессора газ не только транспортируется в рабочих полостях, но одновременно и сжимается в них.
Внутренняя степень повышения давления, или степень повышения давления газа в рабочих полостях, определяется отношением начального объема рабочей полости к ее конечному объему, причем за начальный объем рабочей полости принимается ее объем в момент отсечения винтовых впадин ведущего и ведомого ротора от области всасывания, а за конечный – ее объем в момент начала открытия нагнетательного окна. Таким образом, конечный объем рабочей полости, а следовательно, и степень повышения давления, определяются положением кромок нагнетательного окна.
Особенностью винтовых компрессоров по сравнению, например, с поршневым и является то, что процесс сжатия газа в них происходит при наличии гарантированных зазоров между рабочими органами. С одной стороны, это имеет положительное значение, т.к. исключается износ и становится возможным осуществить процесс сухого сжатия и подавать потребителю газ, незагрязненный смазкой. С другой стороны, наличие зазоров приводит к утечкам и перетечкам газа между камерами с различными давлениями, что ухудшает энерготехнические характеристики машины.
По конструктивному исполнению различают два типа винтовых компрессоров:
1) компрессоры сухого сжатия, которые сжимают и подают газ, не загрязненный маслом. Аналогичную конструкцию имеют компрессоры с внутренним охлаждением газа легкоиспаряющейся жидкостью, например, водой или хладагентами;
2) маслозаполненные («мокрые») компрессоры, в полость сжатия которых подается в больших количествах масло. Масло охлаждает сжимаемый газ и уплотняет зазоры между рабочими органами компрессора, а также смазывает контактные поверхности.