Ротационные компрессоры

Ротационные компрессоры работают по тому же принципу, что и поршневые машины, т. е. по принципу вытеснения. Основная часть энергии, передаваемой газу, сообщается при непосредственном сжатии.

Сущность действия ротационного компрессора (рис. 183) заключается в том, что, независимо от его конструктивных особенностей, всасывание газа или воздуха производится той полостью компрессора, объем которой увеличивается при вращении ротора. Засосанный газ попадает в замкнутую камеру, объем которой, перемещаясь при вращении ротора, уменьшается. Сжатие за счет уменьшения объема приводит к увеличению давления и выталкиванию газа в нагнетательный патрубок.

Ротационные нагнетатели, развивающие избыточное давление до 0,28—0,3 МПа (при атмосферном давлении на входе), называются воздуходувками, а создающие более высокое давление — компрессорами. Ротационные компрессоры и воздуходувки имеют ряд преимуществ перед поршневыми: уравновешенный ход из-за отсутствия возвратно-поступательного движения; возможность непосредственного соединения с электродвигателем; равномерная подача газа; меньший вес конструкции, отсутствие клапанов и т. д.

Вместе с тем, по сравнению с поршневыми, ротационные компрессоры имеют более низкий механический КПД, развивают более низкое давление, требуют более высокой точности изготовления.

Наибольшее распространение в различных отраслях пищевой промышленности получили два типа ротационных машин; пластинчатые и с двумя вращающимися поршнями. Оба типа машин применяются как компрессоры или воздуходувки, а также как вакуум-насосы.

Для создания относительно высокого давления (0,3— 0,4 МПа) применяют одноцилиндровые пластинчатые компрессоры. Если установить последовательно два ротационных пластинчатых компрессора с промежуточным охлаждением воздуха, то можно обеспечить давление до 0,7 МПа и более.

Одноступенчатый пластинчатый компрессор, работая как вакуум-насос, может создавать вакуум до 90%, а при особой тщательности изготовления и монтажа —до 95%.

Как низконапорные воздуходувки с избыточным давлением 0,06—0,08 МПа широко применяются ротационные машины с двумя вращающимися поршнями. Такой компрессор, работая как вакуум-насос, создает вакуум до 70%.

Рассмотрим схему ротационного пластинчатого компрессора (рис. 183). Обычно ротор компрессора 2 расположен эксцентрично в цилиндре. В роторе сделаны радиальные прорези, в которых свободно перемещаются пластины 5. Вокруг цилиндра расположена водяная рубашка 4 для охлаждения компрессора. При вращении ротора по часовой стрелке через патрубок / происходит всасывание, а через патрубок 6 — нагнетание газа.

Благодаря эксцентричному расположению ротора при его вращении образуется серповидное пространство, разделенное пластинами на отдельные камеры. Пластины выходят из пазов ротора вследствие действия центробежной силы и прижимаются к стенкам цилиндра. Так как крышки компрессора примыкают к торцевым поверхностям ротора с малым зазором, отдельные камеры, на которые делится серповидное пространство, оказываются изолированными, увеличивающимися до некоторого объема 3, а затем уменьшающимися.

Вследствие того, что объем газа в камерах левой части серповидного пространства увеличивается, всасывание происходит через патрубок /, а нагнетание через патрубок 6, так как при дальнейшем перемещении ротора происходит уменьшение объема газа в камерах и выталкивание его.

На рис. 184 показан пластинчатый компрессор сумского машиностроительного завода им. М. В. Фрунзе. Для уменьшения трения центробежная сила пластин воспринимается двумя разuрузочными кольцами 2, которые охватывают пластины и свободно вращаются в цилиндре. В зазор между внешней поверхностью разгрузочных колец и внутренней поверхностью выточек в цилиндре через отверстия подается масло. Число пластин в таких компрессорах обычно бывает не менее двадцати, чтобы уменьшить перепад давления между камерами и этим ослабить перетекание газа и увеличить объемный КПД.

Для предотвращения чрезмерного износа цилиндра и пластин, окружная скорость на внешней кромке пластин должна быть не больше 10— 12 м/с Для обеспечения плотного прилегания пластин к внутренней поверхности цилиндра необходимо, чтобы минимальная окружная скорость была в пределах 7—7,5 м/с. Поэтому изменение частоты вращения ротационных компрессоров допустимо только в определенных пределах.

Отечественная промышленность изготовляет ротационные пластинчатые компрессоры с подачей до 50—70 м³/мнн. Подача пластинчатого компрессора определяется по формуле

где Q — подача пластинчатого компрессора, м³/с;

l — длина ротора, принимается равной (1,2—2) D, м;

D — диаметр цилиндра, м;

s — толщина пластины 0,001—0,004 м;

z — число пластин,

е — эксцентриситет, принимается равным (0,05—0,1) D, м;

п — частота вращения, мин^-1;

— коэффициент подачи, принимается равным 0,6—0,8.

В качестве воздуходувок чаще всего применяются ротационные компрессоры с цвумя вращающимися поршнями (рис. 185). Такие компрессоры могут также применяться и как вакуум-насосы, например, во всасывающих системах пневмотранспорта зерна и солода на пивоваренных и спиртовых заводах и др.

Конструкция такого компрессора состоит из корпуса 3, в котором вращаются в противоположных направлениях два поршня 4, профилированных в виде восьмерок с циклоидальным зацеплением. Привод осуществляется с помощью зубчатой передачи. В процессе вращения поршни непрерывно соприкасаются, разделяя объем корпуса на отдельные камеры. Воздух всасывается через патрубок 5, а затем при повороте роторов он попадает в замкнутую камеру / (заштрихованную на рисунке) и, не меняя объема, перемещается к нагнетательному патрубку 2, через который выталкивается в нагнетательный трубопровод или наружу. Следовательно, сжатие происходит только в самом конце цикла в момент сообщения замкнутой камеры с воздухом в нагнетательном патрубке воздуходувки.

Недостатками ротационных компрессоров с двумя вращающимися поршнями считают существенное уменьшение объемного КПД при малейшем увеличении зазоров; сильный шум, который создают воздуходувки во время работы.

Подача воздуходувки с двумя вращающимися поршнями определяется по формуле

где площадь, сметаемая одним поршнем (заштрихованная на рис. 185); —длина роторов, м;

— коэффициент подачн;

п — частота вращения, мин^-1.

Потребляемую мощность ротационного компрессора определяем так же, как и поршневого. Изотермический коэффициент полезного действия принимаем равным =0,55—0,65.

Потребляемую мощность ротационной воздуходувки низкого давления определяем так же, как и центробежного вентилятора, по формуле

где Q — подача воздуходувки по всасываемому воздуху, м³/с;

р — избыточное давление, создаваемое воздуходувкой, Па;

— коэффициент полезного действия, равный 0,65—0,75.

Рассмотрим несколько наиболее распространенных типов ротационных компрессоров, к которым можно отнести: пластинчатые, водокольцевые, восьмерочные и винтовые.

Пластинчатые компрессоры получили достаточно широкое распространение в различных областях промышленности. Схема ротационного пластинчатого компрессора представлена на рис. 186. Он состоит из ротора /, вставленного эксцентрично внутрь корпуса (статора) 2, вследствие чего вокруг ротора образуется серповидное пространство 5—5.

В роторе выполнены радиальные прорези, в которые свободно вставляются стальные пластины (шиберы) 3. При вращении ротора пластины под действием центробежной силы инерции выходят из прорезей и скользят своей внешней кромкой по внутренней поверхности корпуса. Серповидное пространство при этом делится на замкнутые объемы 4, в которых газ переносится из области всасывания в область нагнетания. Такая схема компрессора обладает хорошей динамической уравновешенностью и позволяет сообщить ротору высокую частоту вращения и соединить машину, непосредственно с электродвигателем с частотой вращения до 1500 об/мин. Поскольку при работе компрессора выделяется большое количество теплоты, при степенях сжатия выше 1,5 корпус компрессора изготовляют с высокой рубашкой охлаждения 5. Степень сжатия таких компрессоров достигает 5—6. При необходимости получения большей степени сжатия устанавливают два компрессора последовательно с промежуточным холодильником между ними.

Пластинчатые компрессоры могут быть использованы для получения вакуума. В этом случае они называются вакуум-насосами. Работая в качестве вакуум-насоса, компрессор может давать разрежение до 95%, а при последовательной установке двух компрессоров вакуум достигает 99%.

Если ротор диаметром D имеет Z пластин толщиной , то при эксцентриситете е и частоте вращения ротора п получаем подачу компрессора в виде

где — коэффициент подачи, лежащий в пределах 0,5—0,8 и зависящий от степени сжатия компрессора.

Из приведенного следует, что подача пластического компрессора зависит от частоты вращения привода. Отсюда следует один из методов регулирования подачи компрессоров—изменение частоты вращения. Однако следует иметь в виду, что нижний предел регулирования частоты вращения составляет около 50% номинала. Это связано с уменьшением центробежной силы инерции, под действием которой происходит выход пластин из пазов, а также негерметичностью прилегания пластин к ротору. Предел повышения частоты вращения определяется износом пластин и нагревом компрессора. Изменение подачи компрессора может достигаться перепуском сжатого газа во всасывающий трубопровод и периодическими остановками компрессора.

Пластинчатые компрессоры находят широкое применение в качестве дутьевых машин в кузнечных и термических цехах, как компрессионные агрегаты холодильных установок и при сжатии газов в технологических процессах химических производств.

Водокольцевые компрессоры также достаточно широко используются в различных отраслях промышленности, где необходимо подавать воздух или технический газ. Сравнительно простое устройство и безотказность в работе обусловили применение этих машин во многих областях производства вместо поршневых и ротационных со скользящими пластинами.

Достоинством водокольцевых компрессоров является отсутствие клапанов и распределительных механизмов, поэтому они пригодны для сжатия запыленных газов. Рассмотрим принцип работы водокольцевого компрессора. Рабочее колесо А с лопатками, неподвижными относительно колеса, вставлено в корпус б (рис. 187) с некоторым эксцентриситетом. При вращении рабочего колеса жидкостное кольцо образует свободную поверхность С, которая точно касается втулки колеса. Рабочие пространства 1 — 4 возрастают, в результате чего через отверстие Е происходит всасывание газа. Во второй половине рабочего объема пространства 5 — 8 уменьшаются, происходит сжатие газа и выталкивание его через нагнетательное отверстие F. Роль корпуса в таком компрессоре выполняет жидкостное кольцо, в которое погружаются лопатки вращающегося ротора.

Если ротор имеет Z лопаток толщиной б высотой h и длиной при частоте вращения п, об/мин, то при отсутствии потерь через зазоры и гидравлических сопротивлений объем поступающего в компрессор газа, будет равен:

Действительное количество газа, подаваемое компрессором, будет меньше вследствие того, что сжатие газа в рабочем объеме осуществляется жидкостным кольцом. Когда происходит сжатие, давление с одной стороны жидкостного кольца будет больше, а толщина кольца в этой части — меньше. При этом давление столба жидкости на стенку корпуса (плюс давление газа на внутреннюю часть кольца) уравновешивается с другой его стороны большей толщиной вращающегося жидкостного кольца. Поэтому кольцо жидкости не является телом вращения: там, где газ всасывается, оно толще.

Для сравнения расхода энергии в различных ротационных компрессорах на рис. 188 приведены мощностные характеристики, полученные при создании вакуума для пластинчатого компрессора (кривая 1) и вакуум-насоса (кривая 2).

Водокольцевые машины работают как компрессоры довольно редко и рассчитываются на сравнительно невысокие давления около 10⁵ Па. Основное назначение этих машин — создание вакуума. Одноступенчатые водокольцевые компрессоры (вакуум-насосы) создают разряжение до 98%.

Подача компрессора и создаваемое им разряжение зависят от качества выполнения и величины зазоров между торцовыми поверхностями колеса и корпуса, где расположены всасывающие и нагнетательные отверстия. Для улучшения коэффициента подачи процесс всасывания целесообразно растягивать во времени. С этой целью размер всасывающего отверстия удлиняют почти на половину окружности. Процесс нагнетания, наоборот, следует укорачивать по сравнению с процессом всасывания в зависимости от давления нагнетания.

Водяное кольцо в процессе работы нагревается, поэтому необходима замена воды. В некоторых установках свежая вода к нагнетателю подводится путем присоединения его к водопроводу, а отработавшая вода отводится в канализацию. Расход охлаждающей воды на 1 кВт мощности на валу машины примерно равен 5—7 л/мин.

На рис. 189 приведена характеристика водокольцевого вакуум-насоса, на которой в зависимости от вакуума нанесены кривые подачи, мощности, КПД и полного изотермического КПД.

Если насос с жидкостным кольцом тщательно изготовлен и применены соответствующие жидкости, то создаваемый им вакуум может быть настолько высоким, что насос становится пригодным для получения разряжения в электро- и радиолампах, ртутных выпрямителях и т. п.

Одноступенчатые вакуум-насосы с масляным кольцом, размещенные в масляной герметичности закрытой ванне, развивают вакуум до 99,98%. Два насоса, соединенных последовательно, создают вакуум до 99,999%.

К машинам с восьмерочными роторами относится компрессор, изображенный на рис. 190. Он состоит из корпуса / эллиптической формы, снабженного всасывающим 3 и нагнетательным 6 патрубками. В корпусе симметрично горизонтальной оси расположены два ротора 5, имеющие форму восьмерок. Роторы жестко связаны с валами и вращаются с равными угловыми скоростями, но в противоположные стороны.

Положение восьмерок на рис. 190 соответствует моменту всасывания газа в полость 2 между правым ротором и стенкой корпуса. Всасывание прекратится в тот момент, когда правый ротор займет вертикальное положение. Левый ротор в это время расположится перпендикулярно правому, т. е. примет горизонтальное положение. При дальнейшем вращении правого ротора по стрелке полость 2 сообщается с нагнетательным пространством 7 и полостью 4 между левым ротором и стенкой корпуса. Тогда сжатый газ из пространства 7 переходит в полость 4, сжимая находящийся там газ, только что поданный левым ротором, и повышая его давление. Когда же левый ротор, вращаясь по часовой стрелке, займет вертикальное положение, начнется выталкивание сжатого газа. Таким образом, когда в полости 2 идет всасывание газа, в нагнетательном пространстве 7 и полости 4 происходит сжатие газа и его выталкивание.

Теоретическая диаграмма процесса, происходящего в этом компрессоре, изображена на рис. 191. На диаграмме: ab — линия всасывания; cd — линия нагнетания; be — линия выравнивания давления, повышение которого предполагается мгновенным; be — линия сжатия газа в случае работы поршневого компрессора; da — линия падения давления после выталкивания газа.

Сравнивая диаграммы поршневого компрессора и рассмотренной машины, видим, что заштрихованная часть является работой, которая теряется при сжатии в восьмерочном компрессоре. На диаграмме площадь abed представляет собой работу, необходимую для сжатия газа, вошедшего во всасывающую полость, а площадь abed — работу, требуемую для сжатия всего газа, находящегося в полости сжатия.

Компрессоры восьмерочного типа с давлением нагнетания 4·10⁵ Па применяются для питания сталеплавильных конвертеров, для продувки двигателей внутреннего сгорания и т. п. Машины с более низким давлением около 10⁴ Па служат для подачи воздуха в вагранки и для пневмотранспорта.

Теоретический объем газа, засасываемый за один оборот, определяется по формуле

где F₀ — площадь 4 между ротором и корпусом;

— длина ротора.

Объем, описываемый роторами за один оборот, равен четырехкратному рабочему объему. Действительный объем всасываемого газа с учетом объемного КПД равен:

где —объемный КПД;

п — частота вращения привода, об/мин.

Винтовая компрессионная машина имеет два ротора / (рис. 192) с параллельными осями, вращающихся с Небольшими зазорами в корпусе 2 и связанных между собой парой шестерен 3.

Роторы винтового компрессора представляют собой цилиндрические шестерни с малым числом винтовых зубьев. Зацепление зубьев циклоидальное точечное, при этом у одного из роторов зубья лежат целиком вне начальной окружности и имеют выпуклый профиль, а у другого — внутри начальной окружности и имеют вогнутый профиль (рис. 193). Подвод и отвод газа производится через окна на двух противоположных углах корпуса, так что газ проходит через компрессор в диагональном направлении. При вращении роторов газ в полостях А и В, ограниченных поверхностями роторов и корпуса и линией соприкосновения роторов, перемещается в осевом направлении со стороны всасывания к стороне нагнетания. Сначала эти полости сообщаются с всасывающим окном и заполняются газом. Затем это окно закрывается и линия соприкосновения роторов, отделяющая замкнутую в полостях А и В порцию газа от следующей всасываемой порции, перемещается в осевом направлении к нагнетательному отверстию, которое в определенный момент открывается и в котором происходит выталкивание газа.

Винтовые компрессоры работают с частотой вращения 1000—10 000 об/мин. Благодаря большой частоте вращения эти компрессоры получаются сравнительно легкими и компактными. Подача винтовых компрессоров лежит в пределах 0,5—300 м³/мин. При избыточных давлениях выше 2·10⁵ Па винтовые компрессоры имеют КПД больше КПД машин других типов. На давление 7·10⁵ Па и выше компрессоры выполняются двухступенчатыми.

Винтовые компрессоры аналогичны центробежным машинам, они также не загрязняют сжимаемого газа смазочным маслом (смазка роторов отсутствует) и работают вполне устойчиво. Винтовые компрессоры находят широкое применение в различных областях техники, особенно там, где необходимо иметь компактную установку с большой подачей.