Лабораторная работа №3. Конструкции ротационных компрессоров

Общие сведения

Тема занятия: Изучение конструкций ротационных компрессоров

Цель занятий: Целью настоящей работы является расширение и закрепление знаний студентов по дисциплине «Низкотемпературные машины».

Задача работы: Изучение типовых конструкций, узлов и элементов совреме6нных ротационных компрессоров и вакуумных насосов, ознакомление с классификацией и принципом действия.

Время работы: 4 часа

Место проведения занятий: Лаборатория компрессорных машин кафедры ТОСЖ.

Учебное оборудование и наглядные пособия:

Альбом плакатов и чертежей, схемы установок и натурные образцы.

2.2 Порядок выполнения работы

1 Ознакомиться с настоящими методическими указаниями.

2 Изучить классификацию и устройство ротационных компрессоров.

3 Изучить основные узлы и принцип работы ротационных компрессоров и вакуум-насосов.

4 Оформить отчет.

5 Подготовить ответы на контрольные вопросы.

Введение

Число технических процессов в промышленности, строительстве, сельском хозяйстве и транспорте, требующих сжатого или разреженного воздуха или других газов либо паров, по­стоянно возрастает. Часто даже в крупных производствах тре­буется газ в сравнительно небольших количествах, что исклю­чает возможность применения центробежных компрессоров. При сжатии газов малых и средних объемов в компрессорах с воз­вратно-поступательным движением поршня достигаются удовле­творительные значения удельного расхода энергии, но вес ма­шин получается очень большим. Если давление нагнетания не очень велико, значительно целесообразнее при небольшой и средней производительности применять ротационные компрессо­ры. Согласно принятой классификации, это объем­ные компрессоры с одним или двумя, иногда тремя роторами, вращающимися вокруг осей, параллельных оси цилиндра. Если машиной отсасывается газ с давления ниже атмосферного, а давление нагнетания примерно равно атмосферному, то такие машины называются вакуум-насосами.

Меньший по сравнению с поршневыми машинами вес рота­ционных компрессоров объясняется тем, что окружная скорость роторов ротационных компрессоров в 3—20 раз превышает сред­нюю скорость поршня компрессора с возвратно-поступательным движением поршня.

Небольшой вес и широкая унификация узлов и деталей обе­спечивают относительно низкую стоимость большинства рота­ционных компрессоров. Ротационные компрессоры, как правило, работают при высоких скоростях вращения и имеют непосред­ственный привод от быстроходного и, следовательно, более де­шевого двигателя. При непосредственном соединении с приво­дом расходы на редуктор отпадают.

При работе ротационного компрессора на фундамент не пе­редаются какие-либо значительные силы, поэтому эти компрессоры можно устанавливать и на межэтажных перекрытиях зда­ний. Если вращающиеся детали компрессора хорошо уравнове­шены, то требуется очень небольшой фундамент.

Высокие скорости, обычные для ротационных компрессоров, позволяют конструировать машины небольших размеров, но при работе на таких скоростях возникает шум высокой тональности,

более неприятный, чем шум поршневого компрессора. За исклю­чением винтовых, все ротационные компрессоры имеют худшие энергетические показатели и регулируются в более узких преде­лах, чем поршневые машины.

Преимуществами, вследствие которых проектировщики ком­прессорных станций все чаще выбирают ротационные компрес­соры, являются небольшая площадь и малый объем помещения, необходимого для размещения компрессора, так как размеры компрессора невелики. Небольшой вес ротационных компрессо­ров и их приводов позволяет осуществлять их монтаж или во­обще без крана, или требуется кран малой грузоподъемности, не требующий специальных подкрановых путей, что снижает капитальные затраты на строительство компрессорных станций и монтаж агрегата.

Для приводов ротационных компрессоров достаточно иметь двигатели с небольшим пусковым моментом, так как при пуске требуется преодолеть инерцию небольших масс,

Большинство ротационных компрессоров нагнетает газ непре­рывно, у них не возникает пульсации газа в трубопроводах. Ресиверы, как правило, устанавливают при колебаниях отбора газа или из-за требований системы регулирования.

У ротационных компрессоров подшипники, как правило, име­ют почти не меняющуюся, хотя и значительную, нагрузку. По­этому в этих машинах чаще, чем в компрессорах других типов, применяются подшипники качения. При больших нагрузках в большинстве случаев применяются роликовые подшипники.

При производстве ротационных компрессоров требуется вы­сокая точность изготовления деталей и тщательный монтаж, Наиболее тщательного монтажа требуют уплотнения. Преиму­ществом ротационных компрессоров является простота их обслу­живания и ремонта.

Ротационные компрессоры всех типов могут, при соответствующей конструкции машин, нагнетать газ без примесей масла. Если степень сжатия или разрежение в одной ступени ро­тационного компрессора или вакуум насоса являются недоста­точными, то устанавливаются последовательно две или даже три машины и каждая может быть использована самостоятельно.

3.1 Классификация ротационных компрессоров и вакуум-насосов

Ротационные компрессоры имеют значительно больше конструктивных видов, чем любой другой тип компрессоров.

Ротационные компрессоры подразделяются на пластинчатые (рисунок 3.1), с катящимся ротором (рисунок 3.2), водокольцевые (рисунок 3.3), винтовые (рисунок 3.4) и спиральные. Ни один из типов ротационных компрессоров не имеет вса­сывающих клапанов. Нагнетательные клапаны обычно приме­няются в компрессорах с катящимся ротором, их также можно устанавливать и в пластинчатых компрессорах, работающих с переменной степенью сжатия. Компрессоры с катящимся ро­тором характеризуются достаточно плавной подачей сжатого газа.

Рисунок 3.1- Одноступенчатый пластинча­тый компрессор

За исключением пластинчатых компрессоров, у ротационных машин небольшие потери трения и малый износ. Самые значи­тельные потери в ротационных компрессорах -это потери от перетекания газа и аэродинамические (или гидравлические) потери; последние особенно велики у водокольцевых компрес­соров. У пластинчатых и винтовых компрессоров можно приме­нить внутреннее охлаждение впрыском масла. При этом значи­тельно снижаются потери от перетекания, и одновременно несколько увеличиваются гидравлические потери.

В ротационных компрессорах газ сжимается в результате изменения объема. Если объем меняется внутри компрессора, то это компрессор с внутренним сжатием.

У ком­прессоров с внешним сжатием газ сжимается только в процессе нагнетания газа из цилиндра компрессора в нагнетательный па­трубок. У компрессора с внутренним сжатием име­ют место оба вида сжатия, если давление в нагнетательном па­трубке оказывается выше давления в конце процесса сжатия.

У ротационных компрессоров с внутренним сжатием без на­гнетательного клапана внутреннее сжатие определяется геомет­рическими размерами цилиндра, ротора и окон. Эти компрессо­ры называют компрессорами с постоянной степенью сжатия.

Способ охлаждения. Для малых ротационных компрессоров и вакуум-насосов, а при низкой степени сжатия и для больших машин применяется воздушное охлаждение. Для улучшения воз­душного охлаждения цилиндры отливаются

Рисунок 3.2 - Вакуум-насос с катящим­ся ротором

с ребрами. В других случаях цилиндры охлаждаются водой. При степени повышения давления выше четырех у воздушных и холодильных ротацион­ных компрессоров в ряде случаев применяется внутреннее охлаждение впрыском масла

В качестве воздушных компрессоров небольшой и средней производительности со степенью повышения давления менее трех чаще всего стали применяться ротационные машины. То же наблюдается и с компрессорами, нагнетающими воздух в ди­зельные двигатели. Ротационные компрессоры часто приме­няются в передвижных установках, а винтовые — и в крупных стационар­ных компрессорных станциях. В холо­дильной технике ротационные маши­ны для домашних холодильников практически не применяются, но вслед­ствие удовлетворительного коэффици­ента полезного действия и небольшого веса ротационные компрессоры все чаще применяются в качестве бустеров, т. е. поджимающих компрессоров в низкотемпературных промышленных холодильных циклах.

Рисунок 3.3 - Водокольцевой вакуум-насос

Рисунок 3.4 - Винтовой компрес­сор

Широкое применение находят ротационные компрессоры в химической и пищевой промышленности, на газовых заводах, для пневматического транс­порта сыпучих материалов и во многих других отраслях произ­водства.

3.2 Компрессоры с катящимся ротором

Компрессор с катящимся ротором является наиболее подходящим типом ротационного компрессора для получения наибольшей степени повышения давления в одной ступени.

Принцип работы компрессоров с катящимся ротором.

Ротор круглого сечения, прилегающий к стенке цилин­дра, вращается вокруг оси цилиндра. Между ротором и зерка­лом цилиндра остается при движении

Рисунок 3.5 - Схема компрессора с ка­тящимся ротором и разделяющей пластиной, направляемой ради­альной прорезью в цилиндре (пластина прижимается к ротору)

ротора зазор, равный 0,1—0,2 мм. Серповидное пространство между ротором и цилин­дром разделено пластиной на всасывающую и нагнетательную части.

1 - цилиндр; 2 - ротор; 3 – эксцентрик; 4 – всасывающее пространство; 5 – цилиндрическая направляющая; 6 - разделяющая пластина; 7 – затопленный маслом нагнетательный клапан; 8 – фильтр; 9 – всасывающий патрубок; 10 - нагнетательный патрубок; 11 – глушитель; 12 – нагнетательное пространство; 13 – терморегулятор; 14 – канал газового балласта; 15 – пробка для выпуска масла.

Рисунок 3.6 – Вакуум-насос с катящимся ротором , с жесткой закрепленной на роторе разделяющей пластиной

Пластина служит одновременно и всасывающим клапаном. Для улучше­ния плотности нагнетательный клапан затоплен маслом.

Вакуум-насосы с обильной смазкой называются масляными. Обильная смазка не только снижает потери от трения, но и улучшает коэффициент подачи благодаря уменьшению потерь от неплотностей.

У холодильных компрессоров Ротаско фирмы Эшер-Вис (Швейцария) производится впрыск в цилиндр столь обильного количества масла, что этим маслом отводится значительная часть тепла сжатия - происходит внутреннее охлаждение ци­линдра.

а –всасывание; б – начало сжатия; в – продолжение сжатия; г – нагнетание; 1 – корпус цилиндра; 2 – вал; 3 – эксцентрик; 4 – цилиндрическая направляющая с разделяющей пластиной; 5 – входной канал; 6 – нагнетательный клапан

Рисунок 3.7 – Схемы компрессора с катящимся ротором и качающейся разделяющей пластиной, прижимаемой к ротору

Компрессоры с катящимся ротором имеют следующие пре­имущества: простая конструкция, низкие потери трения и, сле­довательно, малый износ, высокий коэффициент подачи вслед­ствие небольшого мертвого пространства. Центробежные силы у катящегося ротора можно хорошо уравновесить, поэтому к под­шипникам машины не предъявляются специальные требования, и возможна работа компрессора при высокой скорости. Степень повышения давления у компрессоров с катящимся ротором не определяется геометрией машины (как, например, у пластинча­тых компрессоров), поэтому они удобны при работе с перемен­ной степенью повышения давления, как, например, при откачи­вании вакуумной системы или для холодильных установок, работающих с переменными температурами.

Недостатки компрессоров с катящимся ротором: потребность в маховике, пульсирующее нагнетание сжатого газа и почти наполовину меньшее использование объема цилиндра, чем в пластинчатых компрессорах.

Компрессоры с катящимся ротором изготовляют на произво­дительность от минимально возможной до 1000 м³/с . Фирма Ротаско, из­готовляющая компрессоры, утверждает, что односту­пенчатые аммиачные компрессоры могут при температуре кон­денсации 30° С работать при температуре кипения от —40° С до —60° С. Одноступенчатыми вакуум-насосами достигается ва­куум до 2×10^{-3 мм рт. ст. без паров масла, с парами масла— 5}×10^{-3 мм рт. ст., а с газовым балластом—5}×10^{-1 мм рт. ст. Скорость вращения для небольших машин обычно принимается 1440 об/мин, а для крупных машин—порядка 500. В качестве холодильных эти компрессоры работают чаще всего на аммиаке и фреоне 12, растет также число машин, работающих на фреоне 22.}

Конструкции компрессоров с катящимся ротором.

При вращении ротора, эксцентрично расположенного по отношению к оси цилиндра, на вал компрессора действует центробежная сила. Для ее полного уравновешивания у средних и крупных машин или устанавливаются противовесы (рисунок 3.9), или ротор делится на две равные части, смещенные на валу одна относительно другой на 180° и разделенные в цилиндре перего­родкой (рисунок 3.6). Смещением на 180° уравновешиваются сами центробежные силы, не уравновешивается только их момент. Эксцентрики, на которые ротор насаживается как обод, фикси­руются на валу шпонками. Если ротор только один, он может быть изготовлен заодно с эксцентриком и валом, как, например, у компрессоров Ротаско.

Рисунок 3.8 – Полугерметичный холодильный компрессор с катящимся ротором

У этих машин пластина, разделяющая всасывающее и нагнетательное пространства, управляется двумя серьгами, насаженными на эксцентрик, изготовленный заодно с валом. При движении эксцентрика пластина наклоняется так, что ее ось постоянно пересекает ось вращающегося ротора. Это обеспечивает плотность в месте прилегания пластины к ротору.

Дальнейшее улучшение плотности достигается установкой уплотняющих пластинок на плоскости соприкосновения разде­ляющей пластины с цилиндром и прижатием этих пластинок на плоскости соприкосновения разде­ляющей пластины с цилиндром и прижатием этих пластинок к направляющему цилиндру пружинами. Цилиндрическая направляющая, в которой скользит пластина со всасываю­щим каналом, изготовляется из легких сплавов с высокой прочностью и хорошими антифрикционными свойствами как по отношению к чугунному цилиндру, так и к каленой азотирован­ной пластине. Для лучшего уплотнения корпус ротора в месте соприкосновения с цилиндром слегка сплющен, таким образом между собственно ротором и надетой на ротор тонкостенной стальной втулкой возникает зазор. Со стороны сжатого газа на втулке ротора сверлятся несколько отверстий, через которые газ проникает в зазор и немного деформирует втулку, так что она прилегает к зеркалу цилиндра. К торцам цилиндра приверты­ваются чугунные крышки. В крышках размещены подшипники качения, рядом с которыми установлены на валу противовесы ротора. Со стороны привода на валу расположено двойное уплот­нение вала с камерой, заполненной маслом. На валу на стороне, противоположной приводу, установлен осевой подшипник. На ва­лу установлен также привод клапана подачи масла, который открывается при пуске машины центробежной силой, действую­щей на грузы. При остановке машины он закрывается и предо­храняет от попадания масла из маслоотделителя в машину. Внутреннее пространство цилиндра по краям ограничено чугун­ными крышками, по которым скользят кольца, вставленные в торцы ротора.

По длине цилиндра установлены клапаны призматической формы. Отверстия в клапанах перекрыты упругими пластинка­ми, параллельными оси призмы. Под давлением газа пластин­ки прогибаются и освобождают путь газу. Каждый клапан при­жат к стенке цилиндра пружиной, которая при жидкостном

(гидравлическом) ударе позволяет всему клапану подняться и перепустить

жидкость.

Задержанное в маслоотделителе масло через холодильник и центробежный клапан подается в машину. Впрыск масла в ци­линдр производится давлением сжатого газа и регулируется поплавковым вентилем, установленным в корпусе машины.

Компрессоры и вакуум-насосы с катящимся ротором рабо­тают главным образом с высокими степенями повышения дав­ления и охлаждаются водой.

При производстве вакуум-насосов, предназначенных для ра­боты при абсолютных давлениях ниже 1 мм рт. ст., для важней­ших деталей необходимо иметь плотное герметичное литье.

1 - корпус цилиндра; 2 - ротор, изготовленный совместно с пластиной, образующей всасывающий клапан; 3 - эксцентрик; 4 - цилиндрическая

направляющая: 5 - вал; 6 - нагнетательный клапан; 7 - крышка цилиндра:

8 - маховик с ободом под клино­вые ремни.

Рисунок 3.9 – Двухступенчатый компрессор с катящимся ротором

3.3 Контрольные вопросы

1. Назовите отрасли производства, где применяются сжатые или разреженные газы.

2. В чем преимущества ротационных компрессоров перед поршневыми?

3. Расскажите о классификации ротационных компрессоров.

4. Как охлаждаются ротационные компрессоры и вакуум-насосы?

5. Как устроен и работает ротационно-пластинчатый компрессор?

6. Как устроен и работает компрессор с катящимся ротором?

7. Как устроен и работает водокольцевой компрессор?

8. Как устроен и работает ротационно-пластинчатый компрессор?

9. Расскажите о конструкциях компрессоров с катящимся ротором.

10. Как регулируется производительность компрессоров с катящимся ротором?