Основы гидравлики





Компрессоры



Слово «компрессор» имеет латинские корни и произошло от «compressio» - сжатие. Компрессорами называют устройства для сжатия и подачи воздуха и других газов под давлением. Аналогичные функции способны выполнять еще два типа аэромашин – газодувки и вентиляторы, поэтому следует обозначить разницу между ними.
классификация компрессоров Как уже указывалось в статье о вентиляторах, эти устройства могут повышать давление рабочего вещества (газа, воздуха и т. п.) до величины 1,5×105 Па (0,15 МПа или 1000 мм вод. ст.).
Газодувки являются более эффективным средством сжатия газов, их возможности в этом плане занимают интервал от 0,15 до 0,3 МПа.
Аэроустройства, способные сжимать газ до давления свыше 0,3 МПа называют компрессорами.

В разработке основ теории центробежных машин, осевых компрессоров и вентиляторов огромная заслуга принадлежит российским ученым Л. Эйлеру, Н. Е. Жуковскому, С. А. Чаплыгину и другим.
В промышленности компрессоры впервые стали применяться в середине XIX в., в России их начали производить в начале XX в.

***

Классификация компрессоров

Компрессоры классифицируют по принципу действия, по назначению, по роду сжимаемого газа, по развиваемому давлению, по способу охлаждения, по количеству ступеней и по типу привода.

По принципу действия, т. е. по особенности процесса увеличения давления газов, связанного с конструкцией этих машин, все компрессоры можно разделить на две большие группы: динамические и объёмные. Аналогичная классификация применяется и для гидравлических машин – насосов.

По назначению компрессоры классифицируются по отрасли производства, для которых они предназначены (химические, холодильные, энергетические, общего назначения и т. д.).

По роду сжимаемого газа компрессоры бывают воздушные, кислородные, азотные, гелиевые, фреоновые, углекислотные и т. д.

По способу отвода теплоты - без охлаждения, с жидкостным или воздушным охлаждением.

По типу привода различают компрессоры с приводом от электродвигателя, двигателя внутреннего сгорания, паровой или газовой турбины, а также с ручным приводом.

По количеству ступеней сжатия компрессоры могут быть одноступенчатыми и многоступенчатыми.

По создаваемому давлению различают:

  • вакуум-компрессоры и вакуум-газодувки - машины, создающие разрежение, отсасывая газ или воздух из пространства с давлением ниже атмосферного или выше. Воздуходувки и газодувки подобно вентиляторам создают поток газа, однако, обеспечивают возможность достижения более высокого избыточного давления. В режиме всасывания воздуходувки могут создавать разрежение, как правило, 10...50 кПа (в отдельных случаях до 90 кПа) и работать как вакуумный насос низкого вакуума;
  • компрессоры низкого давления, предназначенные для нагнетания газа при давлении от 0,15 до 1,2 МПа (по определению этот тип аэромашин может относиться и к газодувкам);
  • компрессоры среднего давления - от 1,2 до 10 МПа;
  • компрессоры высокого давления - от 10 до 100 МПа.
  • компрессоры сверхвысокого давления, предназначенные для сжатия газа выше 100 МПа.

***

Объёмные компрессоры

В компрессорах объёмного типа рабочий процесс осуществляется в результате вытеснения рабочего вещества (газа, воздуха) посредством изменения объёма рабочей камеры. Существуют десятки разнообразных конструкций машин данного типа, среди которых можно выделить наиболее распространенные: поршневые, винтовые, ротационные, роторно-шестерёнчатые, мембранные, жидкостно-кольцевые, воздуходувки Рутса (суперчарджеры), спиральные, компрессор с катящимся ротором.

Поршневые компрессоры

Поршневые компрессоры работают по принципу сжатия и вытеснения газа из цилиндра посредством перемещения поршня. Конструкция этих насосов аналогична конструкциям поршневых двигателей внутреннего сгорания и поршневым гидронасосов.
поршневые компрессоры В герметичном цилиндре, оборудованном системой клапанов, размещен подвижный поршень, способный перемещаться посредством кривошипно-шатунного привода вдоль оси цилиндра. Между поршнем и стенками цилиндра оборудованы уплотнительные устройства (манжеты, кольца и т. п.). Во время цикла всасывания (движение поршня вниз) газ поступает через впускной клапан в цилиндр; при обратном ходе поршня (цикл нагнетания) впускной клапан закрывается, газ сжимается и, открыв выпускной клапан, поступает под давлением в напорную магистраль.

Поршневые компрессоры могут быть одностороннего или двухстороннего действия, с горизонтальным, вертикальным и V-образным расположением цилиндров, крейцкопфные и бескрейцкопфные, смазываемые и без применения смазки с воздушным или жидкостным охлаждением, и т. д.
Классификация поршневых компрессоров по конструктивному исполнению очень обширная, поскольку этот тип машин постоянно находится под пристальным вниманием инженеров, конструкторов и разработчиков.
При необходимости в высоких давлениях сжатия применяются также плунжерные компрессоры, имеющие поршень очень малого диаметра – плунжер.

В крейцкопфных конструкциях компрессоров движение от шатуна к поршню передается через специальный промежуточный механизм - крейцкопф и шток. В бескрейцкопфных компрессорах движение от шатуна непосредственно передается поршню. В крейцкопфных компрессорах поршень имеет небольшую высоту, достаточную только для размещения уплотнительных колец, так как всю поперечную нагрузку, вызываемую характером движения шатуна, воспринимает на себя крейцкопф. В бескрейцкопфных компрессорах высота поршня значительно больше, здесь роль крейцкопфа выполняет нижняя часть поршня, принимая боковую нагрузку со стороны цилиндра. Пример конструкции крейцкопфного компрессора представлен на рисунке 1.

Одним из недостатков поршневых компрессоров является ограниченность скорости движения поршня из-за наличия инерционных сил. Производительность таких машин зависит, в основном, от рабочего объема цилиндра (или цилиндров) и частоты вращения вала. Из-за ограничения максимальных частот вращения вала в связи с инерционными перегрузками увеличение производительности поршневых компрессоров зачастую становится возможным лишь увеличением рабочего объема, т. е. габаритов всей машины.

В одноступенчатых компрессорах степень повышения давления ограничена (не более 800 кПа). Это связано с резким повышением температуры сжимаемого газа.
Для получения более высоких давлений сжатие газов производят в многоступенчатых компрессорах, охлаждая газ после каждой ступени в специальных холодильниках.
Промежуточные охладители компрессоров с многоступенчатым сжатием обычно имеют следующую конструкцию: в металлическом корпусе укрепляется пучок труб, по которым движется охлаждающая вода. Снаружи трубы омываются охлажденным газом.
Устройство поршневого компрессора

На рис. 1 приведен продольный разрез горизонтального одноступенчатого поршневого крейцкопфного компрессора двойного действия.
устройство и работа поршневого компрессора В этом компрессоре обе полости цилиндра 7 являются рабочими. Следовательно, при каждом ходе поршня в одной полости цилиндра происходит всасывание газа, а в другой – одновременно протекают процессы сжатия и нагнетания.
Поршень 8 получает движение от двигателя при помощи кривошипно-шатунного механизма.

Основные части кривошипно-шатунного механизма следующие: шток 5, шатун 2, ползун 3, соединяющий шарнирно шток с шатуном и движущийся в направляющих 4, кривошип 1. Ползун с шарниром, шток и направляющая образуют устройство, называемое крейцкопф, назначение которого описано выше.
Для предотвращения перетечек газа через зазоре между цилиндром и поршнем в канавках поршня установлены уплотнительные кольца 9. В месте прохода штока в цилиндре имеется сальниковое уплотнение 6.
Цилиндр окружен водяной рубашкой 10 для охлаждения компрессора.

Цилиндры компрессоров могут быть распложены вертикально, горизонтально или под углом друг к другу. Для более экономичной работы компрессора (повышения КПД) производится искусственное воздушное или водяное охлаждение цилиндров, а также газа в промежуточных охладителях.
Воздушное охлаждение применяется обычно в передвижных компрессорах небольшой производительности. Для этого цилиндры имеют снаружи специальные ребра, увеличивающие поверхность охлаждения, а перед цилиндром устанавливается вентилятор.
Чаще применяют водяное охлаждение цилиндров, которые в этом случае снабжаются водяной рубашкой.

Технические характеристики поршневого компрессора

К основным техническим характеристикам поршневого компрессора относятся его производительность, мощность и КПД.

Производительность поршневого компрессора простого действия определяется по формуле:

Vк = ηvShn,

где:
S и h – соответственно площадь и ход поршня компрессора;
n – частота вращения компрессора (число двойных ходов поршня в единицу времени);
ηv – коэффициент подачи, который представляет собой отношение фактической объемной подачи компрессора V к теоретической VТ, равной объему описанному поршнем.

Мощность, потребляемая компрессором, определяется исходя из среднего индикаторного давления pi, которое находят по индикаторной диаграмме, получаемой на работающем компрессоре. Для одноцилиндрового компрессора индикаторная мощность может быть определена по формуле:

pi = Si/lim    (кВт),

где:
Si – площадь индикаторной диаграммы (мм2);
li – длина диаграммы (м);
m – масштаб давления (м/Па).

Термодинамическое совершенство работы компрессора характеризуется изотермическим или адиабатным индикаторными КПД, определяемыми, как отношение мощности, потребляемой компрессором при идеальном изотермическом или адиабатном процессе сжатия к индикаторной мощности. При этом работа охлаждаемых компрессоров оценивается изотермическим КПД, а неохлаждаемых – адиабатным КПД.

Все механические потери учитывают с помощью механического КПД, представляющего отношение индикаторной мощности к мощности на валу компрессора:

ηм = Ni/Ne.

Полный КПД компрессора определяется, как произведение механического и изотермического КПД (для охлаждаемых компрессоров) или произведением механического и адиабатного КПД (для неохлаждаемых компрессоров).

Средние значения полных КПД охлаждаемых поршневых компрессоров обычно находится в пределах 0,65…0,75, для неохлаждаемых – 0,75…0,85.

***



Пластинчато-роторные компрессоры

Роторные (ротационные) компрессоры - машины с вращающим сжимающим элементом, конструктивно подразделяются на винтовые, ротационно-пластинчатые, жидкостно-кольцевые, встречаются и другие конструкции.
Ротационные компрессоры компактны и просты по устройству. Наиболее распространены ротационные пластинчатые компрессоры, принцип работы которых аналогичен принципу работы пластинчатых гидронасосов.
Ротационные компрессоры выгодно отличаются от поршневых относительной равномерностью подачи газа и возможностью непосредственной компоновки на валу двигателя.

Конструкция простейшего пластинчато-роторного (ротационного) компрессора (рис. 2) состоит из статора, ротора с радиальными пазами и нескольких пластин, масса которых, а соответственно и толщина ограничены. На пластины в процессе работы действуют центробежные силы, силы трения и упругости масляной пленки, образованной применяемым для смазки деталей компрессора маслом.

устройство и работа ротационного компрессора

Поскольку масляная пленка образуется лишь после нескольких оборотов вала компрессора, то во время стартов и остановов пластины внешними торцами интенсивно трутся о статор, из-за чего и пластины, и статор изнашиваются. Интенсивность износа деталей возрастает, также, при увеличении частоты вращения вала компрессора и стремление получить высокое давление газа, поскольку при этом центробежные силы сильнее прижимают пластины к статору и стенкам пазов ротора.
Кроме того, увеличение давления газов в камерах между пластинами приводит к появлению сил, изгибающих пластины, что тоже сказывается на ресурсе таких компрессоров.

Так как масляная пленка между пластинами и статором очень тонкая (несколько микрон), то пыль и твердые частички, попадающие на сопрягаемые поверхности, выступают как абразив, царапающий статор и торцы пластин. Это приводит к тому, что возникают утечки сжимаемого воздуха из одной рабочей камеры в другую, и производительность компрессора заметно падает.
винтовые компрессоры В случае промышленного использования, когда разбор воздуха крайне неравномерен и компрессор запускается и останавливается десятки раз в день, износ пластин протекает интенсивно. В таком случае ресурс компрессора обычно не превышает 25…30 тыс. часов.

Винтовые компрессоры

Конструкция винтового компрессора включает два массивных винта, размещенные на подшипниках в корпусе (см. рисунок). Газ в таких компрессорах перемещается и сжимается по спиралевидным образующим винтов, и вытесняется в напорную магистраль.
Винты во время работы находятся на некотором расстоянии друг от друга, образуя зазор, уплотняемый масляной пленкой.
Трущихся элементов в такой конструкции нет. Пыль и другие твердые частицы и даже небольшие предметы при попадании в винтовой блок не влияют на работу компрессора и могут лишь повредить узлы и детали его системы смазки.
По этой причине винтовые компрессоры имеют очень высокий ресурс, достигающий 200…300 тыс. часов и даже более. Периодической замене подлежат лишь подшипники винтового блока.

***

Динамические компрессоры

В компрессорах динамического принципа действия газ сжимается в результате подвода механической энергии от вала, и дальнейшего взаимодействия рабочего вещества с лопатками рабочего колеса (турбины, ротора).
В зависимости от направления движения потока и типа рабочего колеса такие машины подразделяют на центробежные и осевые. Иногда, по аналогии с вентиляторами, выделяют и диагональные компрессоры. Компрессоры лопастного типа (центробежные и осевые) иногда называют турбокомпрессорами, а их рабочие колеса – турбинами.
Кроме перечисленных, к динамическим компрессорам можно отнести струйные и некоторые другие типы аэромашин.

Центробежные компрессоры

Принцип работы центробежного компрессора аналогичен таковому для центробежных гидронасосов (помп).
Центробежный компрессор обычно состоит из корпуса и ротора с симметрично расположенными рабочими колёсами закрепленного на валу (рис. 2). Такие аэромашины обычно выполняются многоступенчатыми, благодаря чему достигаются более высокая степень сжатия и поэтапное охлаждение сжимаемого газа.
Центробежный 6-ступенчатый компрессор разделён на три секции и оборудован двумя промежуточными холодильниками, из которых газ поступает по специальным каналам в последующие ступени.

Во время работы центробежного компрессора частицам газа, находящимся между лопатками рабочего колеса, сообщается вращательное движение, благодаря чему на них действуют центробежные силы. Под действием этих сил газ перемещается от оси компрессора к периферии рабочего колеса, претерпевает сжатие и приобретает скорость.
Сжатие продолжается в кольцевом диффузоре из-за снижения скорости газа, то есть происходит преобразование кинетической энергии в потенциальную.
После этого газ по обратному направляющему каналу поступает через охладитель в другую ступень компрессора и т.д.

Получение больших степеней повышения давления газа в одной ступени центробежного компрессора ограничено, главным образом, пределом прочности рабочих колёс, которые кроме центробежных нагрузок и испытывают нагрузки от давления рабочего вещества (газа).
Обычно диапазон работы таких компрессоров ограничен интервалом окружных скоростей вращения рабочего колеса 280…500 м/сек.
Важной особенностью центробежных компрессоров (а также осевых) является зависимость давления сжатого газа, потребляемой мощности, а также КПД от его производительности. Характер этой зависимости для каждой марки компрессоров отражается на графиках, называемых рабочими характеристиками.

Регулирование работы центробежных компрессоров осуществляется различными способами, в том числе изменением частоты вращения ротора, дросселированием газа на стороне всасывания и др.

Осевые компрессоры

В осевом компрессоре (рис. 2) газ подводится через входной патрубок 1 к кольцевому конфузору 2, предназначенному для ускорения потока газа, и затем через направляющий аппарат 3 поступает в ступени компрессора.
Ротор компрессора представляет собой пустотелый барабан, на котором укрепляется несколько рядов рабочих лопаток 4.
В корпусе закреплены неподвижные направляющие лопатки 5.
Так как степень увеличения давления в одной ступени обычно не превышает 1,4...1,5, то осевые компрессоры имеют большое количество ступеней.

На рабочих лопатках ступени к газу подводится механическая энергия, преобразуемая частично в кинетическую и частично в потенциальную энергию сжатого газа. В каналах, образованных направляющими лопатками, вследствие диффузорного эффекта часть кинетической энергии превращается в энергию давления.
Из последней ступени компрессора газ через спрямляющий аппарат 6 поступает в кольцевой диффузор 7 и далее в выходной патрубок 8. В диффузоре также осуществляется сжатие газа.

Струйные компрессоры

Струйные компрессоры по устройству и принципу действия аналогичны струйным насосам, но обеспечивают более высокую степень сжатия. К ним относят струйные аппараты для отсасывания или нагнетания газа или парогазовой смеси.
В качестве рабочей среды в струйных компрессорах часто используют водяной пар.

***

Характеристики компрессоров различных типов

Поршневой компрессор способен обеспечить подачу до 2...5 м3/мин и давление до 200 МПа (в лабораториях получали давление до 7000 МПа).
Рабочие частоты вращения ограничены высокими инерционными нагрузками на узлы и детали и обычно находятся в пределах 60...1000 об/мин.
Основные недостатки таких компрессоров – большие инерционные нагрузки в приводе и выраженная цикличность подачи.
Применение поршневых компрессоров - химическая промышленность, машиностроение, холодильные установки и питание различных пневмосистем.

характеристики компрессоров

Ротационные компрессоры обеспечивают подачу до 300 м3/мин и давление в пределах 0,3...1,5 МПа.
Частота вращения в таких компрессорах может достигать 3000 об/мин.
Достоинства ротационных компрессоров – компактность и низкие инерционные нагрузки.
Недостаток – повышенный износ деталей при интенсивном использовании.
Эти компрессоры находят применение в химической промышленности, в установках дутья (например, в металлургии) и т. д.

Центробежные компрессоры способны обеспечивать подачу до 2000 м3/мин и давление на выходе до 1,2 МПа при частоте вращения до 10000 об/мин и даже более.
Достоинства центробежных компрессоров – непрерывность подачи, слабая чувствительность к загрязнению газа посторонними примесями, в т. ч. твердыми, простота и надежность конструкции.
Недостаток – относительно низкий КПД и невысокая степень сжатия газа.
Их область распространения - центральные компрессорные станции в металлургии, машиностроении, горнорудной и нефтеперерабатывающей промышленности и т. д.

Осевые компрессоры способны обеспечить очень большую подачу - до 20 000 м3/мин, но не способны развивать высокого давления, которое в них обычно не превышает 0,2...0,6 МПа. Эти компрессоры выдерживают частоту вращения до 20 000 об/мин.
Осевые компрессоры обладают такими же достоинствами и недостатками, как и центробежные. Однако их выгодно отличают небольшие изгибающие нагрузки на лопасти колес, поскольку взаимодействие частиц газа с лопатками осуществляется по касательной. Благодаря этому они выдерживают высокие скорости вращения и способны обеспечить высокую подачу сжатого газа.
Но это положительное свойство отражается негативно на такой доминирующей характеристике всех типов компрессоров, как степень сжатия газа, которая у осевых компрессоров существенно ниже, чем у центробежных.
Осевые компрессоры применяют в качестве аэромашин поддува в металлургии, машиностроении (наддув поршневых двигателей, авиационных реактивных двигателей и т. п).

***

Пневматический и пневмогидравлический приводы