2.4.5. Роторные компрессоры

Объемные компрессоры с вращательным движением рабочего органа, сжимающие газ, называются роторными. Наиболее распространены следующие конструктивные типы роторных компрессоров: ротационные пластинчатые; ротационные пластинчатые с катящимся поршнем; жидкостно-кольцевые.

Ротационные пластинчатые компрессоры (рис. 2.31) выпускаются со стальными пластинами и разгрузочными кольцами, уменьшающими износ пластин, а также с пластинами из несмазываемых антифрикционных материалов. При эксплуатации пластинчатых компрессоров необходима установка нагнетательного или обратного клапана.

Современные жидкостно-кольцевые компрессоры (рис. 2.32) и вакуумные установки поставляются полностью укомплектованными в моноблочном без фундаментном исполнении, единичной производительностью 150–400 м/мин, давлением нагнетания 0,15–0,25 МПа.

Достоинства жидкостно-кольцевых компрессоров: простота конструкции и эксплуатации, практически изотермический процесс сжатия, возможность откачивания и сжатия токсичных, взрывоопасных, легко разлагающихся, полимеризующихся и воспламеняющихся газов, паров и жидкогазовых смесей, в том числе агрессивных и загрязненных механическими примесями.

1

Рис. 2.31. Ротационный пластинчатый компрессор: 1 – корпус; 2 – ротор; 3 – пластина;

4 – рубашка; 5,6 – всасывающий и нагнетательный патрубки

1

Р

3

3 – окно всасывания; 4 – окно нагнетания; 5 – жидкость

Компрессор типа Рутс (рис. 2.33) представляет собой бесклапанную машину объемного действия с двумя роторами, двумя или тремя лопастями. Два идентичных ротора (обычно симметричные) вращаются в противоположных направлениях внутри корпуса, составленного из двух цилиндров. Зазоры между вращающимися роторами (0,1–0,2 мм) устанавливаются с помощью синхронизирующих шестерен, расположенных снаружи корпуса.

Рис. 2.33. Газодувка типа Рутс

Сжатие происходит обратным потоком газа из области нагнетания в тот момент, когда лопасть ротора соединяет отсеченную порцию газа с областью нагнетания.

Широкое применение компрессоров типа Рутс в ряде отраслей промышленности объясняется простотой их конструкции и эксплуатации, отсутствием трущихся элементов и смазки в проточной части, уравновешенностью, долговечностью.

Компрессоры типа Рутс выпускаются производительностью от нескольких литров в минуту до 2000 м/мин с давлением нагнетания до 0,15 МПа.

За полный оборот в нагнетательную полость теоретически переносится в двухлопастном роторе четыре порции газа, в трехлопастном – шесть порций.

Теоретическая производительность компрессора с двухлопастными роторами

,

,

где L– длина ротора;F – площадь поперечного сечения ротора.

При введении k – коэффициента, учитывающего полезное использование площади _:

,

где k = 0,53–59 – для двухлопастных,k =0,49–0,53 – для трехлопастных компрессоров.

Действительная производительность компрессора

,

где – коэффициент производительности (=0,65–0,85).

С целью уменьшения виброакустической активности окружная скорость ротора компрессора не должна превышать 40 м/с. Отношение длины к радиусу цилиндра =1,6 – 3,0.

Мощность на валу компрессора

,

=0,87–0,94 – учитывает потери на трение в подшипниках, торцевых частей ротора о крышку, в шестернях и т.д.

Конструкция винтового компрессора запатентована в 1934 г. Надежность в работе, малая удельная металлоемкость и габаритные размеры предопределили их широкое распространение. Винтовые компрессоры конкурируют с другими типами объемных компрессорных машин. Отсутствие клапанов и неуравновешенных механических сил обеспечивает винтовым компрессорам возможность работать с высокими частотами вращения, т.е. получать большую производительность при сравнительно небольших внешних габаритах.

Рабочими органами винтовых компрессоров являются роторы (1–3) с нарезанными на них винтовыми зубьями. Наибольшее распространение получили двухроторные машины. Роторы вращаются в корпусе, выполняющем функции цилиндра (рис. 2.34).

Рис. 2.34. Винтовой компрессор: 1 – ведомый вал; 2 – ведущий вал;

3 – шестерни синхронизации; 4 – корпус; 5 – опорные подшипники;

6 – упорные подшипники; 7 – узел уплотнения

Роторы современных винтовых компрессоров представляют собой косозубые шестерни с малым числом зубьев специального профиля. Каждая пара зубьев образует винтовой канал, заполняемый газом. Ведущий ротор имеет выпуклые широкие зубья и соединен с двигателем. Ведомый ротор имеет зубья вогнутые и тонкие.

Винты постоянного сечения помещаются в цилиндрических расточках корпуса. Расточки пересекаются между собой, образуя в поперечном сечении фигуру в виде восьмерки. По диагонали эти полости соединены с камерами всасывания и нагнетания через специальные всасывающие и нагнетательные полости (окна). Окно всасывания имеет форму кольцевого сектора и расположено с торца винтов, окно нагнетания располагается сбоку или с торца винтов. В области сжатия газа окружные скорости винтов направлены навстречу друг другу и зубья винтов сходятся. С противоположной стороны под винтами окружные скорости направлены друг от друга и зубья винтов расходятся, благодаря чему происходит всасывание газа (область всасывания).

Принцип действия винтового компрессора состоит в следующем. Из патрубка всасывания через окно газ поступает в пространство между зубьями, называемое впадинами или полостями, которые при вращении винтов постепенно заполняются газом, начиная с торца всасывания. После поворота винта на некоторый угол парная полость, пройдя окно всасывания, разъединяется с окном всасывания.

На этом процесс всасывания заканчивается. Объемы газа, заполнившего впадины ведущего и ведомого винтов, изолированные друг от друга и ограниченные поверхностями роторов и корпусом, разъединяются с камерой всасывания, но еще не соединяются с камерой нагнетания. При вращении винтов газ,заполнивший впадины, перемещается на некоторый угол, а затем начинается его сжатие. По мере входа зуба ведомого винта во впадину ведущего объем, занима­емый газом, уменьшается и газ сжимается.

Процесс сжатия газа в полости (называемой парной) продолжается до тех пор, пока все уменьшающийся изолированный объем парной полости со сжатым газом не подойдет к кромке окна нагнетания. В этот момент процесс внутреннего сжатия в компрессоре заканчи­вается. Таким образом, внутреннее сжатие газа в компрессоре для данных винтов зависит от расположения окна нагнетания. При дальнейшем вращении винтов, после соединения полости со сжатым газом с камерой нагнетания происходит процесс выталкивания газа.

Давление внутреннего сжатия газа может не совпадать с дав­лением нагнетания, т.е. давлением газа, подаваемого потребителю: если оно меньше давления нагнетания, то происходит внешнее дожатие газа до давления нагнетания; если оно выше, то происходит некоторое падение давления сжимаемого газа.

Величина давления внутреннего сжатия в винтовом компрессоре зависит от размеров окна на­гнетания. Образующиеся между винтами парные полости должны быть изолированы от таких же полостей, расположенных впереди или после них, те в свою очередь от соседних. Это достигается выбором соответствующего профиля зубьев винтов. Практически из-за неизбежных зазоров между зубьями (даже при теоретически герметичном зацеплении) и зазоров между винтами и корпусом по цилиндрическим поверхностям и с торцов имеется соединение соседних парных полостей. Величину этих зазоров делают по возможности небольшой.

Процессы всасывания, сжатия и выталкивания газа в винто­вом компрессоре чередуются для каждой отдельно взятой парной полости. Но благодаря непрерывному следованию с большой скоростью полостей друг за другом обеспечивается практически непрерывная подача газа.

Винтовые компрессоры делятся на две группы: машины сухого и мокрого сжатия (маслозаполненные). Винтовые компрессоры сухого сжатия подают сухой газ,не содержащий масла. Винты вращаются в корпусе без контакта с корпусом и между собой, что обеспечивается наличием шестерен синхронизации. Впрыск масла в рабочее пространство позволяет получать степень повы­шения давлений доI5–20 в одноступенчатой машине против 4–5 в компрессоре сухого сжатия.

Зазоры в маслозаполненном компрессоре в 2 раза меньше, чем в компрессоре сухого сжатия, в связи с менее напряженным темпе­ратурным режимом. Кроме того, масло, заполняя зазоры, способству­ет уменьшению внутренних перетечек. Частота вращения роторов маслозаполненного компрессора ниже, чем компрессора сухого сжатия.