4.3 Ротационные, центробежные и винтовые компрессоры

Ротационные компрессоры. В ротационных компрессорах ротор имеет вращательное движение. По характеру движения ротора различают компрессоры с катящим­ся и вращающимся ротором.

По сравнению с поршневыми ротационные компрессоры имеют меньшую массу и габариты и хорошо уравновешенный механизм движения.

Недостаток ротационных компрессоров по сравнению с поршневыми — необходимость их изготовления с высоким классом точности, так как большие значения к. п. д. достигаются только при минимальных неплотностях между ротором и торцами цилиндра или пластинами и стенками.

Схема действия компрессора с катящимся ротором показана на рисунке 4.13.

Рисунок 4.13 – Схема работы ротационного компрессора с катящимся ротором

Ротор 2, вращаясь с эксцентриковым валом, перекатывается по внутренней поверхности цилиндра 1. Так как оси цилиндра и ротора не совпадают, то между поверхностью ротора и зеркалом цилиндра образуется серповидная полость. Пластина 3, плотно прижатая пружиной к ротору, разделяет эту полость на две части — всасывающую и нагнетательную. В верхнем положении ротора всасывающее окно перекрыто, при этом полость цилиндра заполнена паром. По мере движения поршня вниз объем полости перед ротором уменьшается, благодаря чему пар сжимается, и в образующуюся полость за ротором поступает пар из всасывающего окна. Когда давление пара в полости сжатия станет выше, чем в нагнетательном трубопроводе, открывается нагнетательный клапан 4 и пар выталкивается из цилиндра катящимся ротором.

Всасывающих клапанов такие компрессоры обычно не имеют. Примером использования ротационных компрессоров с катящимся ротором в промысловом флоте может служить компрессор «Ротаско», работающий на аммиаке, хладоне-12 и хладоне-22 в одноступенчатых холодильных машинах при степени сжатия р_к/р_й паров холодильного агента до 25.

Ротационные компрессоры с вращающимся ротором применяют, главным образом в качестве поджимающих(бустер-компрессоров) в двухступенчатых установках. Установленные ранее на судах промыслового флота ротационные компрессоры с вращающимся ротором в настоящее время заменяются винтовыми.

Центробежные компрессоры. Центробежные компрессоры применяют в интервале температур от 5 до -100°С и холодопроизводительности от 116 300 до нескольких млн. Вт.

Основные элементы центробежного компрессора — корпус, рабочее колесо с лопатками, насаженное на вал, диффузор, обратный направляющий аппарат. Рабочее колесо, диффузор и обратный направляющий аппарат образуют ступень.

Центробежные компрессоры могут иметь одну или несколько ступеней, принцип их работы следующий: парообразный холодильный агент из всасывающего трубопровода поступает во всасывающую камеру, затем в пространство, образованное лопатками рабочего колеса, вращающегося с большой скоростью.

Под действием центробежных сил пар отбрасывается к периферии, при этом увеличивается скорость пара, т. е. кинетическая энергия. С периферии рабочего колеса пар поступает в диффузор, где его скорость падает, а давление возрастает. После выхода из диффузора в многоступенчатых компрессорах поток пара через обратный направляющий аппарат подводится к следующему колесу, в одноступенчатых — отводится из компрессора. В настоящее время центробежные компрессоры на судах не применяют.

Винтовые компрессоры. На судах промыслового флота эксплуатируются винтовые компрессорные агрегаты отечественные, производства «Кюльаутомат» (ГДР) и компрессоры шведской фирмы «Сталь». Винтовые компрессоры имеют преимущества перед поршневыми и ро­тационными.

У винтовых компрессоров нет всасывающих и нагнетательных клапанов (этим снижаются дроссельные потери), нет деталей с возвратно-поступательным движением, отсутствует трение между ротором и корпусом компрессора. Все эти особенности повышают надежность работы, уменьшают энергетические потери в (компрессоре, увеличивают межремонтные сроки. Кроме того, в отличие от центробежных, степень повышения давления ввинтовых компрессорах не зависит от скорости вращения роторов, без конструктивных изменений можно использовать различные холодильные агенты независимо от их молекулярной массы.

Винтовые компрессоры бывают сухие и, маслозаполненные. В холодильных машинах одно- и двухступенчатого сжатия применяют только маслозаполненные винтовые компрессоры для работы на аммиаке и хладонах при холодопроизводителъности от 200 до 2000 кВт и степени сжатия р_к/ро паров холодильного агента до 20.

Заполнение маслом рабочей полости снижает уровень шума, повышает производительность компрессора благодаря уменьшению внутренних перетечек пара, снижается температура перегрева пара в конце сжатия. Применение маслозаполненных компрессоров позволяет расширить область одноступенчатого сжатия, приблизить процесс сжатия к изотермическому, повысить надежность и долговечность работы машины, осуществить полную автоматизацию. Однако наличие системы смазки и маслоотделения, включающей емкостные и теплообменные аппараты, фильтры, электронасос, арматуру и приборы автоматики, увеличивает габариты установки, массу, стоимость изготовления, усложняет эксплуатацию.

Маслозаполненный винтовой компрессор (рисунок 4.14) 1 состоит из корпуса, двух винтовых роторов (ведущего и ведомого), двух торцевых крышек, сальника, подшипника и механизма регулирования холодопроизводительности. Корпус компрессора отлит из чугуна, выполнен одноблочным (с одним вертикальным разъемом) и включает в себя блок цилиндров, корпус подшипников и разгрузочных поршней и камеру нагнетания.

Окна всасывания и нагнетания относительно рабочей полости корпуса компрессора расположены по диагонали, окно всасывания — сверху, нагнетания — снизу.

Роторы компрессора имеют асимметричный профиль зубьев и установлены в опорных подшипниках скольжения втулочного типа с баббитовой заливкой, воспринимающих действующие усилия. Ведущий ротор выполнен с выпуклыми, ведомый — вогнутыми зубьями, число ко­торых обычно равно соответственно 4 и 6.

Вращающий момент от электродвигателя передается только ведущему ротору, а ведомый вращается ведущих с помощью синхронизирующих шестерен, а также давле­нием пара, сжимаемого в рабочих полостях

Рисунок 4.14 – Маслозаполненный винтовой компрессор:

а — продольный разрез; б - поперечный разрез:

1 — корпус; 2 — ведущий ротор; 3 — опорные подшипники скольжения; 4 — разгрузочный поршень; 5 — упорный подшипник качения; 6,7 — шестерни, синхронизирующие дви­жение ведущего и ведомого рото­ров; 8 — валик для перемещения золотника; 9 — винт; 10 — Шпонка золотника, удерживающая его от проворачивания; 11—гайка; 12 — золотник;

13 — ведомый ротор.

В последних конструкциях винтовых компрессоров синхронизирующие шестерни отсутствуют и вращение от ведущего ротора к ведомому передается только давлением сжимаемого пара. Роторы вращаются в противоположных направлениях, не соприкасаясь друг с другом. Зазор между ними обеспечивается очень точным изготовлением профилей зубьев.

Осевые усилия, действующие на роторы, воспринимаются сдвоенными радиально-упорными шарикоподшипниками. Для восприятия рабочих осевых усилий имеются разгрузочные масляные поршни, установленные на валах роторов. Предохранительные клапаны одноступенчатых винтовых компрессоров должны открываться и перепускать пар с нагнетательной стороны на всасываю­щую при разности давлений 2,0 МПа, поджимающих винтовых компрессоров (СНД в двухступенчатых холодильных машинах) – при разности давления 1,4 МПа. Винтовые компрессоры допускают автоматическое бесступенчатое (плавное) регулирование холодопроизводительности от 10 до 100%- Плавное регулирование осуществляется подвижным золотником, который переме­щается вдоль оси роторов и образует часть поверхности цилиндра компрессора. При крайнем положении золотника на стороне всасывания производительность компрессора будет номинальной. При перемещении золотника в сторону нагнетания рабочая длина винтов уменьшается, в результате снижается производительность.

Бесступенчатое регулирование производительности компрессора обеспечивается плавностью, перемещения; подвижного золотника. Подвижной золотник служит также для разгрузки компрессора во время пуска. Это позволяет применять электродвигатели с нормальным пусковым моментом и исключать значительные пусковые перегрузки на электрическую сеть. Перемещение золотника осуществляется электродвигателем через червячный редуктор или вручную с помощью маховика, расположенного на корпусе червячного редуктора.

Рабочий цикл винтового компрессора состоит из всасывания, сжатия, нагнетания. Для каждой отдельно взятой парной полости эти процессы последовательно чередуются, но так как полости следуют одна за другой, то подача пара идет непрерывно.

В момент освобождения полости (впадины) одного винта от зубьев второго, находящегося в зацеплении с первым, она оказывается против окна всасывания.

Вследствие разряжения, образующегося в полости, происходит всасывание паров холодильного агента из трубопровода. В следующий момент полость всасыванияотсекается ОТ камеры всасывания. На этом процесс всасывания заканчивается. Образуется полость, ограниченная поверхностями винтов и корпуса, причем зуб ведомого винта постепенно заполняет впадину ведущего винта, уменьшая ее объем — происходит сжатие пара. При дальнейшем вращении зуб (следующий за впадиной) ведущего винта заполняет впадину ведомого винта и сжатие продолжается в парной полости.

В процессе сжатия в парные полости через отверстия в золотниковом поршне впрыскивается масло, оно уменьшает внутренние перетечки пара и снижает его температуру при сжатии. Внутреннее сжатие заканчивается, когда полость подойдет к окну нагнетания.

В винтовых компрессорах внутреннее давление сжатия зависит от геометрии роторов и площади окна нагнетания. Отношение начального объема парной полости к ее объему в момент соединения с камерой нагнетания называется геометрической степенью сжатия (Ψ_г). Отношение давления в парной полости в момент соединения ее с окном нагнетания к давлению всасывания называется внутренней степенью сжатия (Ψ_вн).

С момента соединения парной полости с камерой нагнетания начинается процесс выталкивания пара. Давление пара в конце сжатия может быть выше, ниже или равно давлению в нагнетательном трубопроводе. Отношение давления нагнетания к давлению всасывания называют наружной степенью сжатия (π_нар).

Наиболее экономичным режимом, называемыми основным, является режим, при котором давление пара в конце сжатия равно давлению в нагнетательном трубопроводе. В противном случае происходит внешнее так называемое внегеометрическое дожатие пара до давления нагнетания, если давление в нагнетательном трубопроводе выше, чем давление пара в конце сжатия, или падение давления, если Р_нагн<Р_сж . Такой режим самый невыгодный.

Величина энергетических потерь соответствует заштрихованным площадям.

Винтовой компрессор с оборудованием системы смазки компонуют в виде агрегата.

В винтовой компрессорный агрегат входят компрессор с электродвигателем, маслоотделитель, маслоохладитель, масляный насос, фильтры тонкой и грубой очистки масла, газовый фильтр на всасывании, привод регулятора производительности, щиты манометров и датчиков.

На рисунке 4.15 приведена схема винтового компрессорного агрегата отечественного производства.

Рисунок 4.15 – Принципиальная схема холодильного винтового компрессорного агрегата

Винтовой компрессор, 1, приводимый во вращение электродвигателем 3, через паровой фильтр 2 всасывает пары хладона, сжимает их и направляет в маслоотделитель первой ступени 9, маслоотделитель второй ступени 10 и в конденсатор. Отделение .масла от пара происходит в результате изменения направления паромасляного потока, резкого изменения е.го скорости и фильтрации через сетки. Отделившееся масло из маслосборника маслоотделителя 9, пройдя фильтры грубой очистки 8, насосом 7 через маслоохладитель б и фильтр тонкой очистки 5 пода­ется в сальник, подшипники, разгрузочные поршни компрессора и в полости цилиндра.

Маслоохладитель представляет собой кожухотрубный теплообменный аппарат с поперечными сегментными пе­регородками. Масло циркулирует в промежуточном пространстве, а вода – в трубном. Управление агрегатом осуществляется с пульта 4.

Система автоматики агрегатов обеспечивает автоматизированный пуск и остановку компрессора с местного и центрального пультов управления, автоматическое регулирование холодопроизводительности от 100 до 10% по давлению всасывания, коррекцию потребляемой мощ­ности при перегрузке электродвигателя, разгрузку компрессора при пуске и остановке, аварийную автоматическую защиту. Последняя осуществляет остановку с выдачей сигнала «Неисправность» на центральный, пульт управления и светового аварийного сигнала на местный пульт управления при отклонении от нормы следующих параметров: понижение и повышение температуры масла, уменьшение перепада давлений масла, повышение давления нагнетания, понижение давления всасывания, повышение температуры нагнетания.