Двухроторные газодувки и вакуум-насосы с внешним сжатием
Из двухроторных газодувок наиболее известна газодувка РУТС. Она имеет два одинаковых ротора сечением, напоминающим цифру восемь (рисунок 2.2), насаженных на параллельно расположенные валы. Эти роторы для синхронизации связаны между собой парой чаще всего косозубых, но лучше шевронных шестерен с точно отшлифованными зубьями. В отличие от шестеренчатых насосов газодувки РУТС не могут работать без синхронизирующей пары шестерен, благодаря которым роторы вращаются в различных направлениях.
Рисунок 2.2 - Двухроторная газодувка РУТС
Всасывающее и нагнетательное окна расположены в средней части цилиндра между обеими осями роторов. Окна должны иметь большое сечение, чтобы при обычной для этих машин высокой скорости вращения в цилиндр поступало и вытеснялось достаточное количество газа без значительных гидравличес-
Рисунок 2.3 – Двухроторная газодувка с синхронизирующими шестернями
ких потерь. Между стенками цилиндра и роторами образуются замкнутые полости, соединяющиеся или со всасывающим, или с нагнетательным окнами. Одновременного соединения полости со всасывающим и нагнетательным окнами быть не должно. После перекрытия ротором всасывающего окна газ переносится роторами без повышения давления к нагнетательному окну, и только после соединения полости с нагнетательным окном давление в этой полости повысится за счет газа, перетекающего из нагнетательного пространства.
Индикаторная диаграмма газодувки РУТС (рисунок 2.4) приближенно имеет форму прямоугольника (для сравнения штриховой линией показана кривая сжатия в газодувке с внутренним сжатием) На оба ротора постоянно действует давление нагнетания, поэтому подшипники этих машин даже при небольшом перепаде давлений значительно нагружены. С ростом степени повышения давления увеличивается разница между индикаторной работой газодувки и адиабатической работой, и поэтому ухудшаются энергетические показатели,
Рисунок 2.4 – Индикаторная диаграмма газодувки РУТС
особенно в связи со значительным увеличением потерь от неплотностей с возрастанием степени повышения давления. Вследствие потерь от неплотностей в газодувках РУТС происходит большее повышение температуры газа,
чем в компрессорах других типов при равных степенях повышения давления. В газодувках РУТС с двумя роторами газ нагнетается непрерывно, но неравномерно, как это видно из рисунка 2.5, возникают пульсации газа в
Рисунок 2.5 – Диаграмма, показывающая зависимость количества нагнетаемого газа и его пульсации от угла поворота роторов
трубопроводе и неравномерный момент у привода газодувки. Поэтому в больших машинах цилиндр разделен на две равные части стенкой, перпендикулярной оси вращения роторов, сами роторы также разделены на две части и насажены на вал со смещением одна относительно другой, например, на 60° (рисунок 2.6). Этим снижается пульсация газа в трубопроводах, уменьшается шум от газодувки, и момент на валу привода становится более равномерным.
На крупных машинах устанавливают и по три части ротора, насаженные на одном валу, со смещением на 45°.
Рисунок 2.6 – Роторы газодувки со смещенными относительно друг друга частями
Все приведенные выше газодувки РУТС имеют прямые двухзубчатые роторы. Более равномерное нагнетание сжатого гaзa достигается также применением трехзубчатых роторов с большим углом подъема спирали (рисунок 2.7).
Рисунок 2.7 – Газодувка с трехзубчатыми роторами
Оба ротора имеют зубья одинакового профиля, но у одного ротора спираль правая, у другого - левая. Примерно такого же уменьшения пульсации, какое получаем при спиральных роторах, можно достигнуть применением наклонных входной или выходной граней у окна в цилиндрах (рисунок 2.8).
Поскольку между ротором и зеркалом цилиндра постоянно сохраняется небольшой зазор (порядка 0,0015—0,00257 R, где R—внешний радиус ротора), а между роторами и между ротором и торцом цилиндра зазор принимается примерно в полтора раза больше, внутри машины исключается соприкосновение металлических деталей. Вследствие этого отпадает необходимость в смазке роторов и цилиндра, что во многих случаях является большим преимуществом.
Рисунок 2.8 – Газодувка с наклонными гранями всасывающего и нагнетательного окон
Ценным качеством газодувок РУТС является то, что они пригодны для нагнетания газа с большим содержанием пыли и твердых частиц. При этом не происходит недопустимого износа деталей машины. Другие ценные качества газодувок РУТС — надежность и долговечность в работе благодаря исключительной простоте конструкции. Дальнейшее усовершенствование газодувок РУТС явилось результатом их широкого применения для наддува небольших и средних двигателей дизеля.
Соединение газодувки РУТС с быстроходным двигателем привело к значительному увеличению скорости вращения газодувки, а значительное увеличение серийного производства дало возможность кардинально улучшить технологию изготовления.
Рисунок 2.9 – Газодувка судового реверсивного двигателя (самодействующие клапаны дают всасываемому воздуху нужное направление в зависимости от направления вращения вала
По сравнению с центробежными и осевыми компрессорами газодувки РУТС имеют большое преимущество в транспортных установках, работающих при сильно меняющейся скорости вращения. Центробежные и осевые компрессоры небольших размеров имеют низкие экономические показатели, необходимым условием для повышения скорости вращения требуется еще и мультипликатор.
На рисунке 2.9 показана конструкция газодувки судового двигателя с реверсом скорости. Газодувки РУТС применяются с производительностью по всасыванию от 10 до 60 000 м3/ч, а вакуум-насосы — до 100 000 м3/ч.
Самыми крупными потерями в газодувках РУТС являются потери от неплотностей. Поэтому эти газодувки применяются при степенях повышения давления до 1,4 и в исключительных случаях—до 1,8. При более высоких степенях повышения давления — примерно до 2,5 — применяется двухступенчатое сжатие; при этом между обеими ступенями газодувок устанавливается промежуточный холодильник. Может показаться парадоксальным тот факт, что газодувки РУТС нашли широкое применение для работы в области среднего вакуума (давление от 1 до 10-3 мм рт. ст.).В этой области работают вакуум-насосы, сконструированные по принципу газодувок РУТС, со степенью повышения давления, превышающей 50, в то время как для неглубокого вакуума при степенях повышения давления выше 3 эти машины не нашли применения. Это объясняется тем, что в области среднего вакуума отрезок свободного пути молекул возрастает и становится больше размеров зазоров в машине, при этом значительно снижаются перетечки газа через зазоры. Вакуум-насос РУТС должен поэтому работать в комбинации с иными вакуум-насосами, обычно масляными пластинчатыми или с катящимся ротором.
2.5 Конструкции газодувок РУТС
Корпус (цилиндр) небольших и средних газодувок РУТС отливается совместно со всасывающим и нагнетательным патрубками. Отливки производят из того же материала, что и ротор, как правило, из чугуна, а у быстроходных газодувок — из легких сплавов. Если корпус и ротор сделаны из разных материалов, необходимо устанавливать большие зазоры. В некоторых конструкциях корпус имеет разъем, проходящий через оси роторов. Вследствие низкой степени повышения давления для отвода тепла от газодувок достаточно воздушного охлаждения, для чего цилиндр выполняется оребренным, а в вакуум-насосах во многих случаях оребрение цилиндров не делается, так как считается достаточным иметь ребра только на крышке цилиндра со стороны шестеренчатой передачи.
При сжатии воздуха скорость в каналах цилиндра принимается 30 м/с. Роторы должны иметь очень жесткую конструкцию, чтобы возникающие прогибы не требовали увеличения зазоров. Иногда выполняется горячая заливка ротора из алюминиевых или других сплавов на стальной вал. Валы могут быть сквозными или состоящими из двух частей, выступающих за ротор. Для роторов целесообразно использовать точное литье. Роторы обычно изготовляют пустотелыми с внутренними ребрами; в ряде случаев они закрепляются на сквозных валах с помощью призматических или клиновых шпонок. При опасности коррозии от сжимаемых газов или для предохранения от образования искры при отсасывании
шахтных газов роторы изготовляются из бронзы или гуммируются. Одно из главных требований к ротору — высокая точность изготовления его профиля; другое важное требование—точность укладки ротора. Выполнение этих требований обеспечивает минимальные зазоры, определяющие экономичность работы газодувки. Роторы обычно обрабатываются на фрезерно-копировальных или строгально-копировальных станках. Алюминиевые роторы при серийном их производстве рационально изготовлять из точных заготовок методом холодной протяжки.
В настоящее время успешно проведены опыты с уплотнением зазоров синтетическими волокнами, нанесенными на покрытый клейким слоем ротор и электростатически направленными. При этом снижаются требования к обработке профилей. Для небольших газодувок хорошо зарекомендовало себя покрьпие ротора лаком из поливинилсобутилитена, пигментированного цинковым порошком. В обоих случаях к. п. д. повышается примерно на 15%. Роторы балансируются статически, а быстроходные роторы и динамически.
![]() |
Рисунок 2.10 – Лабиринтное уплотнение с гребнями взаимно не западающими друг за друга (шаг гребней
t = (4…7)а, где а - ширина зазора)
К торцам корпуса, как правило, привернуты две крышки, в которых расположены уплотнения и подшипники качения. В воздуходувках до окружной скорости вала 10 м/сек применяются уплотняющие кольца; при более высоких окружных скоростях лучше применять лабиринтные уплотнения с гребнями лабиринтов (рисунок 2.10).
Особенно высокие требования предъявляются к уплотнениям вала газодувок, сжимающих сухой хлор. На рисунке 2.11 показано такое уплотнение из графита, стекла и фторопласта с охлаждением воздухом, проходящим через камеру уплотнения.
Рисунок 2.11 – Уплотнение газодувки сжимающей хлор
Работа вакуум-насоса РУТС в области среднего вакуума значительно улучшается при установке герметичного электродвигателя, ротор которого непосредственно насаживается на вал вакуум-насоса.
В этом случае газодувка совместно с двигателем заключена в стальной герметичный кожух (рисунок 2.12). При этом исключаются внешние уплотнения. Выбором низкого напряжения электродвигателя предупреждается образование разрядов. Вместо герметизации всего электродвигателя можно герметизировать тонкостенной втулкой из аустенитной стали только его ротор.
1 - герметичный кожух; 2 - корпус вакуум-насоса; 3 и 4 - роторы; 5 – синхронизирующие шестерни; 6 – ротор электродвигателя; 7 – статор электродвигателя; 8 – клемный разъем; 9 – водяное охлаждение электродвигателя; 10 – масляный насос; 11 – масло.
Рисунок 2.12 – Схема герметичного вакуум - насоса
Обе шестерни, синхронизирующие движение роторов, отливаются из чугуна или изготовляются из стали; в некоторых машинах одна шестерня бронзовая, другая — стальная.
При больших напряжениях смятия в зубьях шестерен (порядка 250 Мн/м2) эти зубья калятся и шлифуются, что, однако, значительно повышает стоимость их изготовления. Установлено, что сульфонитрированием при температуре 600° С можно значительно снизить износ зубьев шестерен. Проведенные опыты по определению износа у фрезерованных сульфонитрированных колес газодувок показали, что после одновременного износа у обоих колес тонкого поверхностного слоя зубьев толщиной несколько микрон колеса быстро приработались.
1- газодувка; 2 – графитовое уплотнение; 3 – подвод углекислого газа; 4 – подвод масла к торцевому уплотнению; 5 – типовое уплотнение.
Рисунок 2.13 – Газодувка РУТС для циркуляции радиоактивного углекислого газа при давлении 16 Мн/м2
Хорошие результаты были получены после внедрения в серийное производство сульфонитрированных колес для двухроторных газодувок. Шестерни должны устанавливаться как можно ближе к подшипникам. Привод следует располагать со стороны шестерен, при этом усилия не передаются через ротор, деформация последнего уменьшается и, следовательно, можно устанавливать меньшие радиальные зазоры.
Зазоры в газодувках РУТС. Во избежание соприкосновения одного ротора с другим или роторов с цилиндром следует установить необходимые монтажные зазоры, при этом нужно принять во внимание температурные деформации, зазор между зубьями синхронизирующих шестерен, прогиб и скручивание валов роторов, а также деформацию роторов от центробежных сил и давления газа.
При определении зазоров между роторами рассмотрим два характерных положения:
1) оси профилей взаимно перпендикулярны—зазор Sr^.
2) оси профилей параллельны — зазор SrII.
Зазор Sr^ определяется в первую очередь температурными деформациями и в меньшей степени центробежной силой, действующей на головку зуба ротора. Зазор SrIIвыбирается с учетом зазора между зубьями синхронизирующих шестерен и с учетом скручивания вала. Остальные факторы влияют на оба зазора. При расчете зазоров между роторами полагают, что температура ротора Тр равна
T1—температура всасываемого газа, оС;
T2— температура нагнетаемого газа, оС.
2.6 Области применения ротационных компрессоров
Ротационные компрессоры находят широкое применение. Они успешно применяются в горной и металлургической отраслях промышленности, на машиностроительных заводах, на химических комбинатах, в строительстве, а также на заводах по производству электронного оборудования.
А — одноступенчатые пластинчатые: В — двухступенчатые пластинчатые: С — с катящимся ротором; D—с катящимся ротором и внутренним охлаждением маслом; Е—типа Рутса; F — одноступенчатые винтовые; G— одноступенчатые винтовые с внутренним охлаждением маслом; H — двухступенчатые винтовые: I— одноступенчатые водокольцевые; У—двухступенчатые водокольцевые
Рисунок 2.14 - Диаграмма областей применения отдельных типов ротационных компрессоров
Эти машины применяются на транспорте, в сельском хозяйстве и в других отраслях народного хозяйства. Преимуществами их являются небольшой вес, малые размеры, спокойный ход и простота обслуживания.
В пищевой промышленности хорошо зарекомендовали себя ротационные компрессоры, работающие без смазки цилиндра.
Поскольку ротационные компрессоры работают с постоянной степенью повышения давления, их нецелесообразно применять при переменных давлениях как нагнетания, так и всасывания.
На рисунке 2.14 приведена диаграмма областей применения ротационных компрессоров в зависимости от производительности и давления. В указанных областях работают машины серийного изготовления.
Преимущества ротационных компрессоров особенно проявляются в передвижных компрессорных установках большой производительности. Для крупных компрессорных установок важны не только вес и размеры собственно компрессора, но также и то, что при непосредственном приводе в компрессорной установке можно применить более быстроходный, а значит и более легкий и малогабаритный двигатель.
Контрольные вопросы
1. В каком диапазоне давлений используются газодувки РУТС (с внешним сжатием)?
2. Как устроена газодувка РУТС?
3. Назначение синхронизирующих шестерен в газодувки РУТС ?
4. Расскажите о рабочих процессах газодувки РУТС (на примере индикаторной диаграммы).
5. Причины пульсации газа на выходе из газодувки РУТС и способы сглаживания пульсаций.
6. Преимущества и недостатки газодувки РУТС.
7. Какие основные причины потери производительности газодувки РУТС и способы снижения потерь?
8. Назовите основные параметры работы газодувки РУТС.
9. Расскажите о конструкции газодувки РУТС.
10. Расскажите об областях применения ротационных компрессоров.