Этот класс машин весьма обширен и включает разнообразные по конструкции и назначению компрессоры с одним, двумя или тремя роторами.
Ротационные компрессоры имеют следующие преимущества по сравнению с поршневыми:
- большую производительность при малых габаритах;
- хорошую уравновешенность при сравнительно больших оборотах;
- отсутствие клапанов (или имеют их на нагнетании);
- несложное регулирование и более простую конструкцию, вследствие отсутствия возвратно-поступательного движения.
Поэтому их обычно применяют в областях, где поршневые и другие компрессоры не могут обеспечить высокой подачи при малых габаритах.
К недостаткам этих машин следует отнести:
- большие потери на трение;
- трудность уплотнения при повышенных давлениях;
- большой износ движущихся частей и высокую точность обработки и сборки.
Эти недостатки вызывают следующие ограничения:
- относительные скорости трущихся поверхностей не должны превышать 15— 20 м/сек;
- степень повышения давления в одном цилиндре не более 3-4.
Несмотря на эти ограничения области применения ротационных компрессоров разнообразны, их используют:
- в химической, газовой, холодильной и других отраслях промышленности;
- в вакуумной технике и системах пневматического торможения;
- в двигателях внутреннего сгорания в качестве агрегатов наддува.
Наиболее распространены следующие типы ротационных компрессоров:
- пластинчатые – одновальные;
- с катящимся ротором — одновальные; с конечным давлением до 2,5 атм — воздуходувки, газодувки или нагнетатели — обычно без водяного охлаждения цилиндров;
- двухлопастные или трехлопастные двухвальные (типа Рутс);
- винтовые двухвальные или трехвальные (типа Лисхольм).
- ротационные вакуум-насосы, конструктивно мало отличающиеся от нагнетателей, предназначены для создания разрежения, т. е. давления ниже атмосферного.
Ротационные компрессоры классифицируют по характеру процесса сжатия газа в цилиндре и по кинематической схеме.
По характеру процесса сжатия газа ротационные компрессоры можно разделить на три группы.
К первой группе относятся машины, в которых сжатие газа происходите результате непрерывного изменения геометрического объема полостей сжатия, т. е. аналогично поршневому компрессору.
Во второй группе машин сжатие происходит за счет обратного течения газа из нагнетательного трубопровода в камеру сжатия компрессора в момент ее соединения с нагнетательным трубопроводом. В машинах этой группы при вращении роторов происходит только перенос порций газа при постоянных объемах и давлениях из всасывающей магистрали в нагнетательную.
В третьей группе ротационных компрессоров используются одновременно оба принципа, т. е. частичное сжатие за счет изменения геометрического объема камеры сжатия и сжатие до заданного давления обратным потоком газа из нагнетательного пространства. По кинематической схеме ротационные компрессоры подразделяются на одновальные и двухвальные. К одновальным относятся пластинчатые и с катящимся ротором. К двухвальным - двухлопастные и трехлопастные (типа Рутс) и двухвальные винтовые.
Схема одновального пластинчатого ротационного компрессора показана на рис. ___. В цилиндрическом корпусе эксцентрично расположен ротор с пластинами, свободно вставленными в пазы.
При вращении ротора пластины под действием центробежной силы выдвигаются из пазов и скользят по внутренней поверхности цилиндра. При этом они образуют ряд вращающихся камер, объем которых зависит от угла поворота вала. Камеры изменяют свой объем в течение полуоборота вала от максимального значения до минимального.
При вращении ротора в направлении, указанном на рис. ____ стрелкой, газ из всасывающего трубопровода поступает в цилиндр компрессора и заполняет эти камеры до максимального объема. Затем камеры отсекаются пластинами от всасывающего канала (точка А), объем их уменьшается и происходит сжатие газа до тех пор, пока передняя пластина камеры не достигнет кромки выхлопного канала (точка В). В момент перехода пластиной этой кромки начинается выталкивание газа из камеры в нагнетательный канал, которое заканчивается, когда пластина достигнет кромки L выхлопного окна. Далее, при движении пластины от L до С газ, оставшийся в камере, вытесняется через неплотности.
На участке СС' происходит расширение газа из мертвого пространства. За один оборот вала в каждой камере совершается полный цикл: расширение из мертвого пространства, всасывание, сжатие и нагнетание.
В ротационном многопластинчатом компрессоре всасывающий и нагнетательный клапаны отсутствуют. Конечное давление сжатия газа не зависит от давления в нагнетательном патрубке компрессора, а определяется только отношением объемов камеры в начале и конце сжатия.
Классификация роторно-пластинчатых машин.
1. По конструктивному исполнению:
- с радиальными пластинами;
- с наклонными пластинами;
- с разгрузочными кольцами и без них;
- одно и двухступенчатые.
2. По способу смазки трущихся частей:
- маслозаполненые;
- сухие.
Разгрузочные кольца применяются для уменьшения потерь на трение и для уменьшения износа пластин и статора. Обычно разгрузочные кольца применяются, когда пластины металлические. Внутренний диаметр разгрузочных колец меньше диаметра расточки корпуса.
Диаграмма изменения давления, изображенная справа на рис.___, напоминает индикаторную диаграмму поршневого компрессора. Но это только в том случае, если давление сжатия p 2, зависящее от степени сжатия камеры на участке ab, равно давлению в нагнетательном патрубке p к (нормальная диаграмма).
В противных случаях индикаторные диаграммы изменяются по линиям bb’ или bb’’.
Выравнивание давления p 2 в камере и конечного давления p к происходит скачком в момент соединения рабочей камеры с областью нагнетания. При этом непроизводительно затрачивается дополнительная работа (заштрихованные площади).
Отсюда следует, что при наиболее выгодных условиях работы пластинчатых компрессоров давление в нагнетательном патрубке должно быть равно давлению сжатия. Однако и при значительном различии давлений указанные потери не превышают потерь в клапанах компрессоров с возвратно – поступательным движением поршней.
Число пластин (от 2 до 30) зависит от:
- размеров машины,
-перепада давления в компрессоре,
- материала пластин,
-способа смазки и охлаждения.
Чем больше пластин, тем меньше перепад давления между соседними камерами. При этом уменьшаются перетекания газа и снижаются напряжения изгиба в пластинах, но одновременно усиливается износ цилиндра. Материал пластин – сталь, композиции на основе синтетических и углеграфитов, армированный тефлон. Пластины из малопрочных материалов толще, чем стальные, и чтобы не снижался рабочий объём компрессора, устанавливают меньшее их число, хотя это и приводит к увеличению перепада давления между соседними камерами. При меньшем числе пластин требуется более обильная смазка цилиндра для снижения перетекания газа. При впрыскивании масла число пластин снижают во избежание увеличенных аэродинамических потерь. Наклонное расположение пластин в сторону вращения вала способствует снижению трения пластин в пластин в пазах и опасности их защемления.
Частоту вращения ротора ограничивает допускаемая окружная скорость конца пластины, равная примерно 13 м / с для стальных и 8 – 18 м / с для пластмассовых и графитовых пластин. Превышение частоты вращения сверх номинальной (паспортной) приводит к быстрому износу пластин.
Для уменьшения трения в цилиндр вставляют два чугунных или бронзовых беговых кольца. Пластины прижимаются к беговым кольцам и скользят по их
внутренней поверхности. Вследствие вращения колец относительная скорость между ними и пластинами небольшая, благодаря чему взаимный износ колец и пластин меньше, нежели трущейся пары пластина – цилиндр в отсутствие колец. При этом окружную скорость можно увеличить примерно до 18 м / с.
У машин с небольшой частотой вращения ротора собственной инерции для уплотнения пластин не хватает, и поэтому для прижатия их к цилиндру используют спиральные пружины.
В одноступенчатом компрессоре степень повышения давления обычно не превышает 5. Более высокие значения ε (до 16) получают в двухступенчатых машинах с промежуточным охлаждением. Обычно их устанавливают на общей оси с электродвигателем, реже вторую ступень размещают над первой, связывая роторы обеих ступеней парой цилиндрических шестерён.
Компрессор с катящимся ротором
состоит из цилиндрического корпуса 1, в котором эксцентрично расположен цилиндрический ротор 2.
При вращении вала ротор 2 совершает планетарное движение относительно оси вала, проходя около стенки цилиндра с небольшим зазором. Компрессор снабжен нагнетательным клапаном. При вращении вала по часовой стрелке ротор сжимает газ, находящийся в цилиндре с левой его стороны. В это время в свободное пространство, образовавшееся с правой стороны ротора, поступает газ из всасывающего отверстия. В полости с левой стороны ротора газ сжимается до открытия нагнетательного клапана, после чего он выталкивается в нагнетательный трубопровод. Сжатие газа в этой машине происходит так же, как в поршневом компрессоре с самодействующими клапанами, т. е. конечное давление сжатия зависит от противодавления в нагнетательном трубопроводе.
Компрессоры этого типа работают при расходах до 1000 м3 / ч, их применяют в вакуумных системах и в холодильных установках.
Компрессор с катящимся ротором:
1 — корпус, 2 — ротор, 3 — вал с эксцентриками, 4 — противовес, 5 и 6 — шарикоподшипники, 7 — крышка ротора, 8 и 9 — крышки, 10 — нагнетательный клапан, 11 — направляющие шибера, 12 — шибер
В химической и ряде других отраслей промышленности применяют жидкостнокольцевые компрессоры.
Жидкостнокольцевые компрессоры по образованию рабочей полости родственны пластинчатым, но серповидное пространство в них ограничено жидкостным кольцом, формирующимся внутри цилиндра при вращении в нём рабочего колеса с радиальными или загнутыми вперёд лопастями. Всасывающие и нагнетательные окна расположены в торцовых крышках, закрывающих цилиндр с двух сторон.
Установленная степень повышения давления, как и в пластинчатом компрессоре, определяется положением всасывающего и нагнетательного окон.
Обычно в начале сжатия газа в ячейку подаётся охлаждённая жидкость взамен нагретой, выбрасываемой вместе с газом через нагнетательное окно.
Циркуляция жидкости обеспечивает столь интенсивный отвод тепла от сжимаемого газа, а также тепла, генерируемого при вихревом её движении между лопастями, что процесс сжатия протекает почти изотермически.
Достоинства жидкостнокольцевых компрессоров:
- простота конструкции,
- отсутствие масла и трущихся элементов в рабочей полости машины,
- хорошее уплотнение зазоров жидкостью,
- низкий уровень шума и равномерная, практически без пульсаций, подача газа.
Эти достоинства обеспечивают высокую надёжность компрессоров в самых тяжёлых условиях эксплуатации при минимальных требованиях к обслуживанию; возможность сжатия токсичных, взрывоопасных, лёгкоразлагающихся, полимеризующихся и воспламеняющихся газов, паров и газожидкостных смесей, в том числе агрессивных и загрязнённых механическими примесями; возможность использования в качестве вакуумных насосов; перспективность применения в качестве химических реакторов для среды жидкость – газ (благодаря интенсивному перемешиванию двух фаз на границе контакта).
Жидкостнокольцевые компрессоры в одноступенчатом исполнении рассчитаны на давление до 0,2 МПа, а при трёх ступенях – до 2 МПа. Объёмный расход газа на входе компрессоров составляет до 10 тыс. м3 / ч.
Частота вращения ротора – от 4 (крупные компрессоры) до 60 об / с (небольшие машины). При малой частоте вращения жидкостное кольцо разрушается.
Коловратный нагнетатель (типа Рутс) состоит из корпуса и двух роторов, жестко закрепленных на параллельно расположенных друг относительно друга валах. Ведомый и ведущий валы соединены между собой шестеренчатой передачей.
Роторы имеют профили, обеспечивающие в любом положении отсечку нагнетательной стороны от всасывающей. При вращении роторы не соприкасаются со стенками цилиндра и друг с другом, ввиду небольшого зазора между ними.
Коловратный компрессор типа Рутс применяется при невысоких давлениях, и действует следующим образом: порция газа переносится между зубьями ротора при постоянном объёме, а сжатие газа происходит в момент, когда рабочая камера сообщается с нагнетательной стороной машины.
Ротационные нагнетатели (воздуходувки) типа Рутc строят двух- и трехлопастными. Принцип действия этих компрессоров заключается в следующем. При повороте ведущего вала одновременно с помощью шестеренчатой передачи поворачивается ведомый вал. При повороте роторов до положения, указанного на слайде 7, а воздух поступает в камеру А. При последующем повороте вала камера А сообщается с нагнетательной стороной машины и газ из нагнетательного трубопровода устремляется в эту камеру и сжимает находящийся в ней газ. После этого газ выталкивается роторами в нагнетательный трубопровод. Аналогичный процесс происходит и в камере В.
Таким образом, в этом компрессоре газ сжимается в результате обратного течения сжатого газа из нагнетательного трубопровода в камеру сжатия.
Ротационные нагнетатели типа Рутс в последнее время выполняют трехлопастными с винтовыми роторами для создания непрерывности потока газа и уменьшения шума.
Вследствие малого числа зубьев передача равномерного вращения от одного ротора к другому становится затруднительной. Передача осуществляется зубчатой парой, расположенной вне компрессора, а между роторами сохраняется зазор в 0,1 – 0,2 мм, что позволяет избежать их износа и необходимости вводить в компрессор смазку. Это – важное достоинство таких машин, используемых в качестве газодувок и вакуумных насосов там, где присутствие масла в сжимаемом газе недопустимо. С другой стороны, они пригодны для нагнетания запылённого газа.
Коловратные компрессоры широко используются для наддува двигателей внутреннего сгорания. Их главное достоинство – надёжность и долговечность
благодаря исключительной простоте конструкции. Объёмный расход газа на входе – от 10 до 60000 м3 / ч, в вакуум – насосах – до 100 тыс. м3 / ч. Степени повышения давления – до 1,4, в редких случаях до 1,8. При более высоких отношениях (примерно до 2,5) применяется двухступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением.
Для уменьшения пульсации газа и снижения уровня шума зубья роторов имеют спиральную форму.
