Поршневые компрессоры. Устройство и принцип действия

Компрессором называют механизм, в котором для увеличения давления среды используют механическую энергию. Однако название компрессор ничего не говорит о наличии или отсутствии в составе такой машины приводного двигателя. Поэтому мы будем использовать понятие компрессорный агрегат, которое означает машину, состоящую из собственно компрессора и его приводного двигателя. Исходя из этого можно назвать несколько типов компрессорных агрегатов:

– герметичные компрессорные агрегаты, в которых собственно компрессор и его приводной электродвигатель какого-либо типа объединены в один механизм, имеют общий вал и заключены в общий, герметично заваренный кожух;

–бессальниковые компрессорные агрегаты (рис. 10.2), называемые также герметичными разъемными агрегатами, в которых собственно компрессор и его приводной электродвигатель какого-либо типа объединены в один механизм, имеют общий вал и заключены в общий кожух, герметичность которого обеспечивается болтовым соединением;

Таблица 10.1

Перечень деталей бессальникового компрессорного агрегата,

изображенного на рисунке10.2

№ пози-ции	Расшифровка	№ пози-ции	Расшифровка	№ пози-ции	Расшифровка
	Корпус		Указатель уровня масла		Виит с пружинной шайбой
	Крышка двигателя		Стекло указателя уровня		Крышка клеммной коробки
	Прокладка крышки двигателя		Прокладка указателя уровня		Винт крышки клеммной коробки
	Шпилька		Винт		Комплект клеммной коробки IP6
	Гайка		Головка блока цилиндра		Прокладка клеммной коробки
	Винт		Прокладка головки блока		Винт
	Винт		Винт		Прокладка крышки клеммной коробки
	Комплект всасывающее-го фильтра		Пробка		Винт
	Обойма фильтра		Клапанная плита		Электронагреватель картера всборе
	Всасывающий фильтр		Прокладка клапанной плиты		Комплект подвески
	Заклепка		Штифт язычка всасывающего клапана		Винт
Продолжение табл. 10.1
	Винт		Язычок всасывающего клапана		Шайба пружинная
	Пружинная шайба		Чека язычка всасывающего клапана		Шайба пружинная
40/50	Двигатель раздельного пуска		Штифт		Гайка
	Коленчатый вал		Пробка		Пружина
	Шпонка		Пробка электро-подогревателя картера		Резиновый амортизатор
	Регулировочная шайба		Запорный всасывающий вентиль		Гайка защитная
	Регулировочная шайба		Прокладка запорного всасывающего вентиля		Разгрузочный патрубок
	Винт		Винт		Катушка электромагнитного клапана
	Стопорная шайба		Прокладка наконечника под пайку		Прокладка под фланец
	Шайба ротора		Наконечник под пайку		Винт
	Комплект шатун – поршень		Фланец		Головка блока
	Поршневое кольцо		Винт		Запорный вентиль
	Гнездо подшипника		Запорный нагнетательный вентиль		Регулировочный клапан
	Кольцо гнезда подшипника		Прокладка запорного нагнетательного вентиля		Катушка клапана
Продолжение табл. 10.1
	Винт		Прокладка для наконечника под пайку		Винт
	Масляный насос		Наконечник под пайку		Головка блока
	Прокладка масляного насоса		Фланец		Реле давления масла
	Винт масляного насоса		Винт		Крепежная плата реле давления масла
	Золотниковый вентиль		Фланец для вентиля		Двигатель
	Опорная плита		Прокладка для фланца		Лопасти
	Винт		Винт		Защитный кожух
	Пружинная шайба		Предохрани-тельный клапан		Крышка вентилятора
	Плита основания		Прокладка для крышки		Шпилька
	Прокладка плиты основания		Крышка		Шайба пружинная
	Винт		Винт		Стопор
	Масляный фильтр		Пробка		Гайка
	Пружина масляного фильтра		Клеммная плата в сборе		Планка
	Намагниченная пробка		Прокладка клеммной платы		Винт
	Прокладка		Винт		Масляный радиатор
	Клапан полного подпора		Защитное реле «S»
	Клапан удержания масла		Клеммная коробка

–компрессорные агрегаты открытого типа(рис. 10.3), состоящие из собственно компрессора, ось которого выходит из его корпуса наружу, и находящегося снаружи приводного двигателя, причем не обязательно электрического. Приводной двигатель соединяется с компрессором при помощи специального устройства, в качестве которого может выступать соединительная муфта или ременная передача с системой шкивов. Называть такую конструкцию компрессорным агрегатом открытого типа можно только тогда, когда в ней присутствуют и компрессор, и двигатель. Если компрессор не соединен с двигателем, нужно говорить о компрессоре открытого типа.

В отличие от разъемных компрессорных агрегатов и компрессоров открытого типа герметичный агрегат в случае возникновения в нем неисправностей, как правило, не подлежит ремонту, поэтому в каталогах производителей отсутствуют его разрезы и перечень внутренних деталей.

Блок цилиндров –в многоцилиндровом компрессоре часть корпуса, в которой расположены цилиндры.

Верхняя головка шатуна - расширенный конец шатуна, соединяющийся с поршневым пальцем.

Водяная рубашка – пространство между стенками цилиндров и головкой, внутри которого циркулирует охлаждающая вода.

Всасывающий клапан – клапан, обеспечивающий проход среды из всасывающего трубопровода в цилиндр и препятствующий нагне­танию среды в этот трубопровод.

Гильза цилиндра – сменная цилиндрическая вставка, устанавливаемая в блок цилиндров, внутри которой помещается поршень.

Головка цилиндра – закрытая сторона цилиндра компрессора.

Запорный всасывающий вентиль – вентиль, встроенный в компрессор или смонтированный на нем и предназначенный для перекрытия всасывающего трубопровода.

Рис.10.4 .Компрессор открытого (сальникового типа) в разрезе: 1- картер; 2– коленчатый вал; 3– шатунно-кривошипный механизм; 4– группа цилиндров с устройством снижения производительности; 5– группа цилиндров без устройства снижения производительности; 6– клапанный блок; 7– подшипник масляного насоса; 8 – корпус подшипника; 9 – масляный фильтр с пробкой; 10– встроенный клапан; 11 – внутренний уравнитель;12 – поплавок возврата масла; 13 –электронагреватель; 14 – указатель уровня масла; 15 – блок цилиндров; 16 – крышка картера; 17,18 – заправка и слив масла; 19 – всасывающий коллектор; 20 – центральный подшипник; 21 –устройство перекрытия цилиндров; 22– нагнетательный коллектор – промежуточный ресивер; 23– патрубок отбора давления; 24– устройство снижения производительности; 25– увлажнитель

Запорный нагнетательный вентиль – встроенный в компрессор или смонтированный на нем и предназначенный для перекрытия на­гнетательного трубопровода.

Картер – неподвижная жесткая опора коленчатого вала.

Коленчатый вал –деталь поршневой машины, преобразующая возвратно-поступательное движение поршней во вращательное движение или наоборот.

Корпус подшипника –гнездо, предназначенное для размещения в нем подшипника скольжения либо качения.

Лабиринт (лабиринтное уплотнение) – бесконтактное уплотнение в виде серии канавок, выступов, ребер, пазов на поверхностях осей, поршней или стыков для предотвращения утечек.

Маслосъемное кольцо – поршневое кольцо, предотвращающее подъем масла из картера в головку цилиндра.

Нагнетательный клапан –клапан, позволяющий удалять сжатый газ в нагнетательный трубопровод и препятствующий его течению в обратном направлении.

Нижняя головка шатуна – расширенный конец шатуна, соединяющийся с кривошипом коленчатого вала.

Опорное кольцо – деталь, поперечная поверхность которой воспринимает нагрузку вдоль оси.

Подшипник (втулка) – деталь, служащая в качестве опоры и направляющего элемента вращающейся оси.

Подшипник качения –см. «Подшипник».

Поршень – цилиндрическая деталь, перемещающаяся в цилиндре и обеспечивающая сжатие рабочей среды.

Поршневое кольцо –упругое разрезное кольцо, установленное в канавке поршня для повышения герметичности рабочего пространстванад поршнем или снятия со стенок цилиндра избытка масла.

Поршневой палец – деталь, соединяющая поршень с верхней головкой шатуна.

Сальник с набивкой – устройство, обеспечивающее герметичность зазора между подвижной осью или штоком и неподвижным корпусом.

Сальниковая набивка –материал, используемый в сальниковом уплотнении для его герметизации.

Сальниковое уплотнение –см. «Сальник с набивкой».

Сепаратор подшипника –обойма с вырезами по размеру элементов качения (шариков или роликов) для их разделения в подшипниках.

Уплотнение вала – устройство, герметизирующее зазор между валом открытого компрес­сора и его корпусом на выходе из последнего.

Хомут эксцентрика –кольцо из двух частей, обжимающее центральную часть эксцентрика и играющее роль кривошипа.

Цапфа (шип) – концевая часть вращающего вала, которой она опирается на подшипник.

Цилиндр –полая деталь с цилиндрической внутренней поверхностью, в которой перемещается поршень, осуществляя циклы сжатия и всасывания.

Шатун – деталь, соединяющая поршень с коленчатым валом.

Шейка кривошипа – часть коленчатого вала, к которому шарнирно подсоединен шатун.

Особенности конструкции и работы поршневых компрессоров. Рассмотрим схемы на рис. 10.4, позволяющие изучить принцип работы компрессора. На рис. 10.4, а, давление внутри цилиндра ниже, чем во всасывающем патрубке (давление испарения). Всасывающий клапан 3открыт, и по мере опускания поршня 5 пары перегретого хладагента заполняют цилиндр. После того как поршень пройдет нижнюю мертвую точку (рис. 10.4,б), он начинает двигаться в обратном направлении, сжимая пары в цилиндре и тем самым закрывая всасывающий клапан. В это время нагнетательный клапан 2 остается закрытым, так как давление в цилиндре пока ниже давления в нагнетательном трубопроводе и еще недостаточно для того, чтобы преодолеть сопротивление нагнетательного клапана (рис. 10.4, в).

На рис. 10.4, г, давление в цилиндре не только достигает значения, равного давлению в нагнетательном трубопроводе (давление конденсации), но и превосходит его настолько, чтобы преодолеть сопротивление нагнетательного клапана и открыть его. Сжатые пары получают возможность выхода из цилиндра до тех пор, пока поршень не дойдет до верхней мертвой точки (рис. 10.4, д). По конструктивным соображениям поршень, находясь в верхней мертвой точке, не должен соприкасаться с клапанной плитой 10, следовательно, в цилиндре остается какой-то объем, занятый газом. Геометрическое пространство, соответствующее этому объему, называют мертвым или вредным объемом. Как только поршень начинает двигаться в обратном направлении, т.е. опускаться, пары, заключенные в мертвом объеме, начинают расширяться, и давление в цилиндре падает ниже давления в нагнетательном трубопроводе. Нагнетательный клапан 2 закрывается (рис. 10.4, г). В момент, когда давление в цилиндре становится ниже давления во всасывающем трубопроводе, открывается всасывающий клапан 3 (рис. 10.4, а), обеспечивая, таким образом, новый цикл.

Рис. 10.3. Принцип работы поршневого компрессора: 1 – головка блока; 2 – нагнетательный клапан; 3 – всасывающий клапан; 4 – блок цилиндров; 5 – поршень; 6 – шатун; 7 – картер; 8 – кривошип; 9 – охлаждающие ребра; 10 – клапанная плита

Выше изложенное позволяет сделать следующие заключения:

- чем ниже будет давление испарения, тем меньшее количество паров хладагента попадет в цилиндр при всасывании;

- чем выше будет давление конденсации, тем меньшее количество паров хладагента по­падет в нагнетательную магистраль;

- чем больше растет отношение давления нагнетания к давлению всасывания, тем силь­нее уменьшается расход хладагента через ком­прессор;

- увеличение работы осредненных сил дав­ления приводит к росту потребляемой компрес­сором мощности.

Рассмотрим устройство и материалы изготовления основных узлов компрессора:

Блок-картер выполняется обычно из чугуна. Полость всасывания отделена от полости картера перегородкой, в которой имеются уравнительные отверстия с маслоотстойниками. Через отверстия происходит отсос пара, перетекающего в полость картера через неплотности поршневых колец, для поддержания в картере давления всасывания.

Гильзы– чугунные или стальные. Верхний торец гильзы является обычно седлом всасывающего клапана.

Клапаны– всасывающие и нагнетательные (рис. 10.5) в значи­тельной степени определяют надежность и экономичность работы компрессора, поэтому к ним предъявляются ряд требований: достаточные площади проходных сечений: минимальные мертвые объемы в элементах клапанов; максимальная прямолинейность каналов для прохода, пара;

Рис. 10.5.Специальная форма головки поршня и клапанной пла­стины, обеспечивающая минимальный объем вредного пространства: НД –низкое давление, ВД –высокое давление

Клапанная группа состоит из всасывающего и нагнетательного клапанов. Основные детали всасывающего клапана компрессора типа П и ПБ: седло; клапанная пластина, направляющая розетка; детали ограничения подъема высоты пластины; крепежные детали; рабочие пружины. Нагнетательный клапан состоит: седло; клапанная пластина; розетка; рабочие пружины.

В крупных и средних компрессорах наибольшее распространение получили кольцевые подпружиненные клапаны. Для малых компрессоров используют пятачковые, лепестковые, полосовые пластинчатые клапаны.

Узел механизма движения служит для превращения вращательного движения коленвала в возвратно-поступательном движении поршня, и включает в себя следующие узлы как:

Шатунно-поршневая группа (рис. 10.2, 10.4) включает поршень, шатун в сборе, поршневой палец, поршневые кольца.

Поршни– стальные или алюминиевые, тропкового типа, характеризующиеся развитой боковой поверхностью или имеющие плоское дно. Наружная поверхность поршня состоит из верхнего пояса, где расположены уплотняющие поршневые и маслосъемные кольца, и нижнего пояса в котором имеются окна для прохода пальцев. Количество уплотнительных колец зависит от числа оборотов коленчатого вала, с увеличением которых число колец уменьшается. Кольца предназначены для уплотнения зазора между поршнем и цилиндром и уменьшения утечки пара в процессе сжатия. Маслосъемные кольца предназначены для уменьшения уноса масла из цилиндра в нагнетательную полость и да­лее в систему.

Шатун– стальной, предназначен для передачи вращательного движения от коленчатого вала в поступательное поршня.

Коренной вал– коленчатый, коренными шейками установлен в коренных подшипниках качения роликового типа. К щечкам колен вала присоединяются противовесы (рис.10.2 и 10.4).

К коренным валам компрессора предъявляются высокие требования к соосности коренных и шатунных шеек, правильности геометрических форм и чистоте их обработки. Вал должен быть жестким и прочным, а его трущиеся поверхности износоустойчивыми.

Коленчатый вал изготавливают из материала Ст40 или Cт40X с последующей механической и термической обработкой.

Сальниковые уплотнения предназначены для уплотнения приводного конца коленчатого вала в месте выхода его из картера с целью надежной и полной герметизации рабочих полостей компрессора. Различают сильфонные и пружинные сальники с металлографитовыми и стальными закаленными кольцами, выполняющими роль трущейся пары. В камеру сальника также подается масло для дополнительного уплотнения, уменьшения мощности трения, охлаждения трущихся деталей.

Система смазки предназначена для надежной и безопасной работы компрессора, чтобы смазкой были обеспечены все трущиеся пары: шатунные и коренные подшипники вала: сальник; механизм передачи движения от вала к масляному насосу. По способу подачи масла системы смазывания различают на смазывание разбрызгиванием (или барбатажную) и принудительную, в последнем случае привод масляного насоса осуществляется от коленчатого вала.

Проверка мертвого объема и высоты подъема пластины всасывающего клапана. Относительный мертвый объем (С) проверяют измерением зазора между днищем поршня и седлом нагнетательного клапана. Для этого на днище поршня укладывают свинцовую пластину шириной 5, длиной 10 и высотой не более 2 мм или кусочек пластилина, устанавливают нагнетательный клапан в сборе и прижимают его к корпусу всасывающего клапана. Затем вручную проворачивают, на один борот коленчатый вал. Минимальная толщина свинцовой пластины после сжатия ее между поршнем и седлом должна быть 0,4 мм, а максимальная 0,8 – 1,0 мм.

Регулировку зазора между поршнем и седлом производят изменением толщины прокладки перед гильзой. Выпрессовку гильзы производят легкими ударами молотка по деревянной подкладке, установленной под гильзу.

Высота подъема пластины (h) всасывающего клапана измеряется щупом. Она должна быть в пределах от 1,2 до 1,4 мм. регулировка производится с помощью прокладок под корпусом всасывающего клапана. Для измерения высоты подъема пластины всасывающего клапана щуп вводят в зазор между пластиной и гильзой; пластику при измерении зазора необходимо отжать от гильзы к корпусу клапана.

Увеличение мертвого объёма приводит к уменьшению коэффициента подачи и соответственно к уменьшению Q₀.

Рассмотрим принцип работы компрессора и проходящие при этом рабочие процессы на примере непрямоточного компрессора.

Всасывающий клапан смонтирован отдельно на плите, которая служит верхней крышкой цилиндров (рис. 10.210.5). При движении поршня вниз, в цилиндре 2 понижается давление, процесс обратного расширения, благодаря чему открывается всасывающий клапан и начинается процесс всасывания пара в цилиндр. При движении поршня вверх всасывающий клапан закрывается, пар сжимается в процессе от начального давления до конечного, а затем, под действием давления, нагнетательный клапан открывается и происходит процесс нагнетания пара. Наличие мертвого пространства (расстояние от верхней кромки цилиндра до клапанной плиты), а также гидравлические сопротивления во всасывающих Δр₀ и нагнетательных Δр_К клапанах, теплообмена пара со стенками цилиндра, неплотностей, а также трения в трущихся частях компрессора уменьшают производительность компрессора и увели­чивают затраты работы на выполнение рабочего цикла компрессора, повторяющегося при каждом обороте коленчатого вала. Все объемные потери действительного процесса компрессора учитываются коэффициентом подачи λ (рис. 10.6).

Для быстроходных современных компрессоров со значительной скоростью рабочего вещества вместе с паром в компрессор может по­пасть жидкое рабочее вещество, что приводит, как правило, к гидрав­лическому удару, так как жидкость несжимаема, она, попадая между поршнем и крышкой цилиндра приводит к серьезным авариям.

Защиту компрессора от гидравлического удара осуществляют с помощью буферной пружины 6, которая обеспечивает экстренный выброс жидкого хладагента, в случае попадания ее в цилиндр компрессора, за счет поднятия нагнетательного клапана и увеличения проходного сечения.

Холодопроизводительность компрессора при стандартных температурных условиях дается в условном обозначении (марки) компрессора, например, марка компрессора типа ФУБС - 14 означает, что компрессор фреоновый, расположение цилиндров V-образное, бессальниковый, холодопроизводительность 14000 ккал/ч (16,3 кВт).

Сравнивая компрессоры по холодопроизводительности необходимо определять холодопроизводительность при одинаковых температурных режимах.

Для среднетемпературных аммиачных компрессоров: t_о= - 15°С, t_вс = -10°С, t_к = + 30°С, t_п = + 25°С;для компрессоров, работающих на фреоне: t_о = -15°С, t_вс = + 15°С, t_к = + 30°С, t_п = + 25°С. Такая производительность называется «стандартной» холодопроизводительностью.

На практике часто компрессора работают при условиях отличающихся от нормальных (стандартных). Эти условия называются рабочими, а холодопроизводительность, определяемая при этих условиях, носит название рабочей и определяется по формуле:

Q₀ =V_hλq_{v ,}кВт (10.1)

где q_v– удельная объемная холодопроизводительность;

q_v= q₀ /V₁, (10.2)

V₁– удельный объем паров, поступающих из испарителя в компрессор, м³/кг;

q₀ = i₁ – i₅– удельная холодопроизводительность;

λ – коэффициент подачи при рабочих условиях, определяется по графику (рис. 10.6)

V_h – объем, описываемый поршнями компрессора; объем, который освобождается в цилиндре при перемещении поршня от НМТ (нижней мертвой точки) до ВМТ (верхней мертвой точки).

, (10.3)

где D – диаметр цилиндра, замеряемый в работе, м;

S – ход поршня, также замеряется по ходу выполнения лабораторной работы, м;

Z – число цилиндров;

Рис. 10.6 Коэффициенты подачи компрессоров в зависимости от степени сжатии рк/ро: 1 – поршневых; 2 – винтовых бустер компрессоров; 3 – винтовых; 4 – работающих на хладоне 22; 5 – ротационных; 6 – малых работающих на фреоне 134а.

n– число оборотов коленчатого вала, 1460 об/мин.

Для определения мощности электродвигателя необходимо знать режим работы компрессора. В теоретическом процессе сжатие пара в компрессоре совершается адиабатически и затрата мощности Na на сжатие Gа кг/с пара рав­на:

N_a = Ga (i₂ - i₁), (10.4)

где Ga = Q₀q₀– количество циркулирующего холодильного агента.

Мощность, затраченную на сжатие пара в действительном процессе, определяют по индикаторной диаграмме и называют индикаторной:

N_i= Na / h_i, (10.5)

где h_i = λ_w+ b×t₀– индикаторный КПД;

t₀ – температура кипения, подставляется в формулу с соответствующим знаком;

λ_w = T₀ /T_К - коэффициент подогрева;

T_0, T_К– абсолютная температура кипения и конденсации, К;

b = 0,0025– для фреонов; b = 0,0016 – для аммиака.

Под эффективной мощностью понимают мощность на валу компрессора, которая равна сумме мощностей индикаторной и трения:

N_е = N_i+ N_тp, (10.6)

где N_тр – мощность, затрачиваемая на трение (мощность, хо­лостого хода), кВт.

Для определения N_тp пользуются выражением:

N_тp = Р_тр ·V_h,кВт (10.7)

где Р_тр– величина удельного давления трения, которая зависит от производительности компрессора, т.е. от основных его размеров и быстроходности, считается величиной постоянной и равной Р_тр= 60 кПа.

Мощность электродвигателя рекомендуется выбирать с запасом 10÷12% во избежание его перегрузки, тогда:

N_эл= (1,1 ÷ 1,12) · Nе / η_п, (10.8)

где η_п = 0,96…0,99 –КПД ремённой передачи;

η_п= 0,98…0,99 – при соединении муфтой;

η_п= 1 для бессальниковых и герметичных компрессоров.