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 Sr_II.

Зазор Sr_^ определяется в первую очередь температурными деформациями и в меньшей степени центробежной силой, дей­ствующей на головку зуба ротора. Зазор Sr_IIвыбирается 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.