Лабораторная работа №5. Изучение конструкции спирального компрессора
5.1 Общие сведения
Тема занятия: Изучение конструкций спиральных компрессоров
Цель занятий: Целью настоящей работы является расширение и закрепление знаний студентов по дисциплине «Низкотемпературные машины».
Задача работы: Изучение типовых конструкций, узлов и элементов современных спиральных компрессоров, 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.
5.2 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. Классификация спиральных компрессоров и их преимущества.
Спиральные компрессоры (СПК) относятся к одновальным машинам объемного принципа действия. Как известно машины такого принципа действия обратимы, т.е. могут работать практически без изменения конструкции, и как компрессоры, и как моторы (детандеры или расширители).
Идея такой машины известна более ста лет, но реализовать ее и довести до промышленного производства и широкого применения удалось только в 80-е годы XX века. Причина та же что и при разработке винтовых компрессоров - не было достаточно точного оборудования для изготовления такой формы деталей, как спирали.
В настоящее время в холодильной технике СПК используют в основном в бытовых и транспортных кондиционерах, тепловых насосах, холодильных машинах малой и средней мощности до 50 кВт. Но расчеты показывают, что холодильную мощность СПК можно существенно увеличить - до 100 и более кВт путем совершенствования их конструкции и технологии изготовления.
Спиральные компрессоры классифицируются следующим образом:
1. В зависимости от подачи в рабочую полость жидкости на маслонаполненные; с впрыском капельной жидкости (например, холодильного агента); сухого сжатия.
2. По числу ступеней на одно- и двухступенчатые с различным расположением ступеней по отношению к двигателю.
3. В зависимости от рода газа, мощности и других условий: герметичные, бессальниковые, сальниковые.
4. По типу применяемых спиралей: с эвольвентными спиралями, со спиралями Архимеда, с кусочно-окружными и др.
5. Существенно деление СПК на вертикальные и горизонтальные. В горизонтально расположенных СПК, например, у транспортного кондиционера с параллельным расположением вала СПК и продольной оси транспортного средства, труднее обеспечить надежную работу системы смазывания компрессора.
Основными достоинствами СПК являются:
- высокая энергетическая эффективность; их эффективный КПД достигает 80 -86%;
- высокая надежность и долговечность, определяемая долговечностью подшипников;
- хорошая уравновешенность: незначительное изменение крутящего момента на валу компрессора; малые скорости движения газа в машине - все это обеспечивает спокойный ход машины с низким уровнем звукового давления (шума);
- быстроходность - число оборотов вала компрессора 1000 до 11000 об/мин, и этот диапазон расширяется;
- отсутствие мертвого объема, малая доля протечек, и, следовательно, более высокий индикаторный КПД;
- всасываемый компрессором газ не соприкасается с горячими стенками деталей компрессора;
- процессы сжатия, всасывания и нагнетания "растянуты" по углу поворота вала, и поэтому даже при небольшой частоте последнего скорости газа невелики;
- отсутствие клапанов на всасывании, а часто и на нагнетании;
спиральный компрессор, как и винтовой, может работать по принципу с "дозарядкой";
- спиральный компрессор, как и все компрессоры объемного принципа действия, может работать на любом холодильном агенте, на любом газе и даже с впрыском капельной жидкости.
По сравнению с поршневым компрессором одинаковой мощности СПК имеет следующие преимущества:
- более высокий КПД - на 10 - 15 %;
- более высокий коэффициент подачи ^ - на 20 - 30 %;
- небольшие размеры - на 30 - 40 %;
- меньшая масса - на 15 - 18%;
- уровень звукового давления (шума) ниже на 5 -7 дБл;
- отсутствие деталей, часто выходящих из строя - поршневых колец, клапанов; а если на нагнетании иногда встречается клапан (он выполняет также функции обратного клапана), то его части не могут попасть в рабочее пространство благодаря встречному потоку газа и другим предохранительным мерам;
- может работать с впрыском капельной жидкости, например, в маслозаполненном варианте, как и винтовой;
- меньшее число деталей, меньшая стоимость производства.
К недостаткам СПК надлежит отнести следующие:
1.Спиральным машинам требуется новые для машиностроения детали - спирали, для изготовления которых необходимы станки с ЧПУ. Правда, такие станки достаточно широко распространены на отечественных заводах. Инструментом служит обыкновенная пальцевая фреза.
Разработаны и иные технологии производства спиралей - прессованием, точным литьем с последующей обкаткой и т.п.
Спиральная машина, как и винтовая, - это машина более высокого технологического уровня и организации производства.
В СПК требуется обеспечить параллельность четырех-пяти плоских поверхностей, перпендикулярность ребер спиралей к их основаниям (платформам), выдержать эксцентриситет с допуском (0; 0,005) и грамотно собрать компрессор.
2. На подвижную спираль действует сложная система сил: осевых, тангенциальных, центробежных, требующих грамотного расчета и уравновешивания, а, следовательно, и балансировки ротора.
3. Если отсутствует нагнетательный клапан, то теоретическая индикаторная диаграмма СПК будет по виду такой же, как и у винтового компрессора, с возможными "недожатиями" и пережатиями газа, т.е. с дополнительными потерями.
5.3 Конструкция СПК и принцип его работы
На рисунке 5.1 показан чертеж сальникового спирального компрессора маслозаполненного типа.
Основные детали СПК следующие: вал 1 с эксцентриком 6, оси которых должны быть строго параллельны друг другу и расположены на расстоянии эксцентриситета ε. Вал вращается в двух опорных подшипниках 7 и 4, находящихся на одной оси. Вместе с валом 1 вращается и эксцентрик 6 вокруг оси вала. Расстояние между осью вала и осью эксцентрика - эксцентриситет ε - является важнейшим конструктивным параметром компрессора: оно выдерживается с точностью до 0,005 мм, а непараллельность осей - в пределах 1/2 от этого допуска. Эксцентрик 6 соединяется шарнирно (внутренний подшипник качения или скольжения 8) с подвижным элементом 10, состоящим из его платформы (или диска) и спирали. Поскольку собственно спираль и ее платформа составляют одно целое (даже если изготавливаются раздельно), то подвижный элемент 10 называют короче - подвижной спиралью (ПСП).
Другой спиральный элемент 11 (другая спираль) - неподвижный (НСП). Она имеет те же размеры, как и ПСП, но другое направление закрутки спирали. Таким образом, ели обе спирали положить на стол платформами (как их изготавливают на станке), то одна из них окажется правого направления (закрутка по часовой стрелке), а другая - левого. В сечении торцевой плоскостью, перпендикулярной к осям спиралей, они оказываются одного направления (рисунок 5. 2).
1- вал компрессора, 2 - сальник, 3 - передняя крышка, 4,7,8 - подшипники, 5 - противовес, 6 - эксцентрик, 9- шарик противоповоротного устройства, 10 - подвижная спираль (ПСП), 11 - неподвижная спираль (НСП), 12 - корпус компрессора, 13 - задняя крышка, 14 - ограничитель клапана, 15- подгоночное кольцо.
Рисунок 5.1 - Продольный разрез спирального компрессора
- радиус основной окружности спирали, δ - толщина ребра спирали, ε – эксцентриситет; - площадь ячейки всасывания.
Рисунок 5.2 - Поперечное сечение ПСП и НСП в рабочем положении
Неподвижная спираль (ее платформа) закрепляется от проворота в корпусе или крышке компрессора.
Платформа НСП имеет сквозное отверстие А для выхода сжатого газа. Форму и размер отверстия определяют при проектировании СПК.
Если вставить спирали 11СГ1 и НСП одна в другую, то между стенками перьев (или ребер) спиралей образуются ячейки. Некоторые из них замкнутые. Размер ячеек (их объем) при вращении ПСП изменяется.
Вставлять (условно - соединять) спирали нужно таким образом, чтобы центры основных окружностей радиусом находились на расстоянии ε один от другого (рисунок 5.2) и на одной прямой - оси. Для этого спирали должны быть развернуты на 180°. Тогда спирали, вставленные одна в другую, образуют между ребрами несколько попарно одинаковых серповидных ячеек.
Подвижная спираль не должна вращаться вокруг своей оси. Она должна совершать движение только по определенной орбите (пока только - круговой) радиусом е вокруг оси неподвижной спирали, совпадающей с осью вала 1 (рисунок 5.1). Поворот ПСП вокруг своей оси не допускается, этому препятствует противоповоротное устройство (ППУ).
На рисунке 5.3 показаны взаимные положения спиралей при перемещении подвижной спирали по круговой орбите через 90°. Цикл всасывания (раскрытие и закрытие внешних ячеек) совершается за один оборот вала 1 компрессора с эксцентриком 6 и ПСП (рисунок 5.1). Затем он повторится.
Цикл сжатия и выталкивания газа длится дольше, примерно от 2 до 2,5 и более оборотов в зависимости от угла закрутки спирали (см.ниже) и размера окна нагнетания, расположенного рядом с «носиком» НПС.
Таким образом, теоретическая объемная производительность ступени СПК определяется объемом двух первых 1 и 1’ ячеек всасывания и частотой вращения вала компрессора.
Кольцевое пространство вокруг внешних дуг спиралей и корпусомкрышкикомпрессора образует камеру всасывания СПК.
а - φ = 0; б - φ = 90°; в - φ = 180°; г - φ = 270°
Рисунок 5.3 - Взаимное положение спиралей (через 90°) при перемещении ПСП по орбите
При установившемся режиме в СПК можно обеспечить равенство давления внутреннего сжатия газа в компрессоре и давления нагнетания, т. е. оптимальный режим компрессора. В этом случае клапан на нагнетании оказался бы излишним.
Но в холодильном компрессоре при меняющихся режимах температур, а значит и давлений клапан на окне нагнетания СПК оказывается полезным, так как исключаются режимы «пережатия», а кроме того, он выполняет важную функцию обратного клапана. И здесь, как видим, процесс выталкивания сжатого газа в СПК существенно отличается в лучшую сторону от процессов, как в поршневом, так и винтовом компрессорах. Мертвый объем теоретически в СПК отсутствует. График изменения давления сжатия и нагнетания в СПК (рисунок 4.4) объясняет и подтверждает спокойный ход и низкий уровень звукового давления.
1 - СПК, 2 - поршневого одноступенчатого, 3 – компрессора скатящимся ротором
Рисунок 5.4 - Изменение крутящего момента на валу компрессора по углу поворота вала
Давление сжатого газа в ячейках спиралей создает усилия, действующие на платформы и ребра спиралей. Как правило, их значения относительно велики.
Осевые силы ПСП, совершающей орбитальное движение с небольшой линейной скоростью, не имеют апробированных практикой соответствующих опор. В упорном кольцевом подшипнике не решена проблема создания масляного клина при орбитальном движении опорной поверхности (пяты).
Для восприятия осевых сил чаще всего применяют шариковые опоры, которые состоят из отдельных шариков, помещаемых в гнезда. При этом шарики выполняют и другие функции. Делаются попытки создания специальных осевых подшипников качения для СПК.
Принципиально новым узлом для машиностроения является противоповоротное устройство - ППУ для СПК. Это устройство препятствует повороту ПСП вокруг своей оси.
Подвижная спираль, как отмечалось, вращается вокруг оси вала компрессора, ведомая эксцентриком.
Применяют ППУ трех видов.
1. Поводковое ППУ (рисунок 5.5),состоящее из трех одинаковых поводков, расположенных в трех точках через 120° таким образом, что лучи из этих точек пересекаются с осью вала 1. Одна из цапф каждого поводка шарнирно соединена с подвижной спиралью, другая цапфа того же поводка вращается в опорной плите (деталь 3). Все поводки имеют строго одинаковый эксцентриситет, равный эксцентриситету вала 1 и эксцентрика 2. Поводковое ППУ может работать успешно, но оно крупногабаритно, имеет много шарниров (подшипников).
Рисунок 5.5 - Поводковое противоповоротное устройство
2. Подвижные спирали, использующие идею муфты Ольдгейма (рисунок 5.6), принцип работы которой известен. Муфты Ольдгейма широко применяют в ряде устройств, в частности в подъемно-транспортных механизмах. Но там валы тихоходные, а эксцентриситет измеряется долями миллиметра. В ППУ все наоборот - скорости и эксцентриситеты велики. Тем не менее, практика их применения в СПК, по-видимому, себя оправдала, так как они встречаются все чаше, а потери на трение, как оказалось, в таких муфтах малы.
3. Третий тип ППУ (рисунок 5.7) по принципу действия оказался подобен второму, однако конструктивно оформлен иначе: функцию среднего подвижного диска муфты Ольдгейма здесь выполняют шарики, размещенные по окружности и помещенные в гнезда колец определенного размера, скрепленных одно с платформой подвижной спирали, второе - с опорной плитой. При вращении вала компрессора шарики, размещенные надлежащим образом в гнездах нижнего и верхнего колец, перекатываются, но не позволяют ПСП поворачиваться вокруг своей оси.
Одновременно шарики в этой конструкции являются опорой, воспринимающей осевую силу давления газа на ПСП. Шарики их опорные плиты испытывают значительные контактные напряжения. По этой причине участвующие в этом узле детали должны быть закалены до твердости поверхности шариков. А опорные поверхности должны быть тщательно отполированы, при этом надо строго соблюдать требование параллельности между опорными поверхностями.
1- неподвижное кольцо муфты, 2 - подвижное промежуточное кольцо, 3 - вращающаяся часть муфты, 4 - элементы качения
Рисунок 5.6 - Муфта Ольдгейма с ПСП
1 и 2 - кольца со смещенными отверстиями, 3- шарики
Рисунок 4.7 - ППУ, совмещенное с упорным подшипником
Во всех, рассмотренных ППУ движение ПСП обеспечивается по орбите, линейная скорость которой, м/с, обычно (возможно, пока) не велика
,
где n - частота вращения вала компрессора, с-1;
ε - эксцентриситет, м.
В конструкциях СПК окружная скорость не превышает 3,5- 4 м/с (а часто ниже) и только в одном случае встретилась 4,7 м/с. Эксцентриситет к выбирают от 2 до 10 (12) мм.
Конструктивные особенности СПК благоприятно сказываются наего экономических и эксплуатационных показателях и качествах. Такими особенностями являются:
- сжатие газа в СПК происходит одновременно в нескольких парных ячейках, перемещающихся от периферии спиралей к их центру, отделяя при этом «горячий» сжатый газ от холодного всасываемого;
- колебание крутящего момента на валу компрессора сглаживается,мало отклоняется от среднего значения (рисунок 4.4);
- разница давлений между двумя соседними ячейками много меньше общей разницы давлений нагнетания ( ) и всасывания ( );
- протечки газа происходят на большей части длины щелей (условно теоретических линий контакта) при меньшем перепаде давлений и при сокращении длины щелей;
- деформация прогибов вершин ребер спиралей ограничивается тем, что перепад давлений между ячейками спиралей, увеличивающийся от периферии к центру, благоприятно сопровождается увеличением нагибной жесткости в том же направлении.
5.4 Геометрические зависимости спиральных элементов
Спиральные элементы, подвижный и неподвижный, отличаются конструкцией своих платформ (рисунок 5.1,поз. 10, 11 и рисунок 5.6), а собственно спирали ПСП и НСП отличаются направлением закрутки спиралей: одна правая (закрутка по движению часовой стрелки), другая - левая. Конструкция пера (или ребра) спиралей, как правило, одинакова. Исключения уже начали появляться, когда подвижную спираль выполняют с ребром разной толщины, чтобы ее облегчить, тогда как НСП, наоборот выполняют с утолщением спирали; утончение ПСП компенсируют утолщением НСП, как этого требует "основной закон взаимоогибаемых спилей".
В настоящее время распространены спирали трех типов: эвольвентные (ЭВ); спирали Архимеда; кусочно-круговые, составленные из отдельных рационально припассованных друг к другу дуг окружностей (рисунок 4.8).
Рисунок 5.8 - Кусочно-круговые спирали, составленные из полуокружностей постоянного радиуса
Эвольвентные спирали
Простую технологию изготовления и некоторые другие преимущества имеют эвольвентные спирали.
Площадь ячейки всасывания, ограниченная дугами спирали можно определить как
Полезная площадь двух ячеек всасывания
,
где fэ и f р - полезный объем двух ячеек всасывания, ограниченный углами закрутки и , м2;
h - высота ребра спирали, м.
Спираль Архимеда
Кривая Архимеда образуется точкой Мо при качении без проскальзывания прямой NК по основной окружности (рисунок 5.9)
Рисунок 5.9 - Расчет СПК со спиралями Архимеда
Полная площадь ячейки всасывания, ограниченная дугами спирали Архимеда, если пренебречь отклонением углов контакта спиралей от угла поворота вала (φ),
Полезная площадь двух ячеек всасывания
Полезный объем двух ячеек всасывания
Чтобы определить место, форму сечения и размеры окна нагнетания, необходимо найти сначала объем ячеек
из соотношения , где m - показатель политропы сжатия. Для хладона R22 при сжатии в маслозаполненном СПК m=1,1 - 1,15 в зависимости от режима работы и количества подаваемого масла. По значению определяют угол поворота ПСП , при котором давление сжатия газа в ячейке будет равно .
Для СПК, каки для винтовых компрессоров, удобно ввести понятие «геометрическая степень сжатия»
где - объем (парных) ячеек, соответствующий давлению внутреннего сжатиягаза .
Как и для винтовых компрессоров во избежание потерь работы на режимах пережатия газа
По данным экспериментальных исследований, в СПК режимы пережатия вызывают потери работы 1,1% и более от полной работы сжатия, что меньше, чем у винтовых. Объясняется большей «растянутостью» по углу поворота ПСП (относительно большей продолжительностью) рабочих процессов в СПК. Эта же большая относительная продолжительность процессов СПК весьма положительно сказывается, как отмечалось, на процессах всасывания и нагнетания, осуществляя их по существу непрерывно и автономно.
Роль клапана нагнетания в спиральных компрессорах.
Во-первых, характер процесса нагнетания, кинематика и динамика клапана нагнетания СПК существенно отличаются от кинематики и динамики клапана поршневых компрессоров.
Во-вторых, в СПК клапан нагнетания во время постоянного режима практически не закрывается, а в некоторых случаях только «дышит» - колеблется с малой амплитудой.
В-третьих, даже если лепестковый клапан в СПК сломается его части не попадут в ячейки спиралей, так как этому препятствует встречный поток нагнетаемого газа.
Спирали кусочно-окружного профиля
Спирали кусочно-окружного профиля применяют некоторые японские фирмы. Массогабаритных преимуществ перед эвольвентными они не имеют, а технологическая "простота" их только кажущаяся.
Продолжается поиск оптимальных конструкций СПК и их деталей. На рисунке 5.10 показана одна из перспективных форм спиралей с изменяющейся толщиной ребра (пера) спирали. При таком размещении массы ребра подвижной спирали ее силы инерции уменьшаются без ущерба для прочности и производительности машины.
Рисунок 5.10 - Спирали компрессора с переменной толщиной ребер
5.5 Расчет производительности СПК
Из теплового расчета компрессора и цикла холодильной машины определяют действительную объемную производительность , м³/с.
Приняв значение коэффициента подачи компрессора равным Л=0,8 – 0,9, найдем теоретическую объемную производительность
, м³/с.
Пользуясь справочными данными, выбирают по теоретической производительности спиральный компрессор.
Коэффициент подачи СПК
Как и для всех компрессоров объемного принципа действия, он равен отношению массы поданного компрессором газа к массе засосанного за единицу времени или отношению эквивалентных им объемов, приведенных к одинаковым условиям.
С момента открытия ячейки всасывания в нее начинает поступать свежий заряд газа. Но одновременно во впереди идущей ячейке начинаются сжатие газа и, следовательно, перетечки газа из нее в ячейку всасывания. Этот процесс будет протекать в течение всего процесса всасывания, так как давление во впереди идущей ячейке растет.
Вернемся к ячейке всасывания. Она оказалась заполненной свежим зарядом газа, поступившим из камеры всасывания, и протечками из впереди идущей ячейки. Нам представляется проще определять массу (или объем ) протечек из впереди идущей ячейки за период заполнения газом ячейки всасывания, а затем по отношению разности объемов к полному объему ячейки всасывания вычислить коэффициент подачи
где - масса протечек газа в ячейку всасывания.
Заметим также, что в свежем заряде рабочего вещества в ячейке всасывания из-за наддува имеется некоторое количество газа.
Протечки в спиралях СПК осуществляются через щели двух типов: прямоугольные щели постоянной глубины (толщине ребра δ) при переменной длине щели и переменном давлении истечения; прямоугольные щели постоянной ширины между двумя дугами по высоте ребра спирали h. В этом случае перепад давления газа также изменяется. Эти типы щелей наиболее полно экспериментально изучены, разработаны методы расчета через щели такого типа.
5.6 Рабочие процессы в СПК
Процесс всасывания в СПК длится в течение почти полного оборота вала по каналам большого сечения, газ не контактирует с горячими деталями компрессора. Утечки газа из первых двух одинаковых ячеек невелики, так как давление в них после их закрытия мало.
Конструктивные формы СПК предопределяют особенности рабочих процессов компрессора. Рабочий цикл в отдельно взятой ячейке СПК не отличается от цикла других компрессоров объемного принципа действия, в частности винтовых. Теоретическая индикаторная диаграмма СПК выглядит так же, как и у винтового компрессора.
Рабочий процесс СПК может идти также с недожатием и пережатием, если нет клапана нагнетания. Применение такого клапана СПК исключает процессы недожатия и пережатия, что способствует повышению энергетических показателей СПК.
Всасывание в СПК длится в течение одного оборота вала компрессора, что предопределяет малые скорости движения газа на всасывании.
Другой особенностью СПК является наличие наддува в процессе всасывания, причем наддув происходит не только с использованием ударной волны подобно наддуву в полостях винтового компрессора, но и вследствие сокращения физического объема ячейки всасывания СПК на . Благодаря этому плотность пара рабочего вещества к концу процесса всасывания повышается на 1-2%.
Перенос газа, как и в поршневом компрессоре, в СПК отсутствует.
Сжатие газа и вытеснение в СПК длятся в течение поворота вала компрессора на угол, значительно больший, чем при всасывании. Удлинение процесса сжатия само по себе не благо, так как утаивается время переточек газа через щели. Сократить период сжатия можно за счет сокращения времени рабочего цикла, тем более что газодинамические потери на всасывании и на нагнетании у СПК относительно малы. Но с ростом числа оборотов увеличивается и механическая работа трения, что уменьшает .
Картина изменения объемов ячеек и давлений в них наглядно представлена на совмещенной теоретической диаграмме рабочих процессов в СПК (рис. 20). Изменение объема ячейки показано в относительных величинах в функции угла поворота вала компрессора для СПК с углом закрутки = 5π.
При любом аргументе сечение диаграммы по вертикали позволяет определить, какая ячейка находится в стадии всасывания, а также ее относительный объем, также ячейки сжатия и выталкивания и давления в них при известных исходных данных .
В заключение напомним, что спиральный компрессор может работать с еще большим успехом (с более высоким КПД, чем компрессор) в качестве детандера или газового мотора.
5.7 Содержание отчета
1. Краткое описание конструкции и назначение отдельных элементов спирального компрессора.
2. Классификация спиральных компрессоров.
3. Принцип работы спирального компрессора.
4. Профилирование рабочих органов компрессора.
5.8 Контрольные вопросы к защите
1. На каких хладагентах и в каком диапазоне холодопроизводительности работают спиральные компрессоры?
2. Как классифицируются спиральные компрессоры?
3. Поясните работу маслозаполненного спирального компрессора.
4. Поясните работу спирального компрессора «сухого» сжатия.
5. Конструкции всасывающих и нагнетательных окон.
6. Назначение нагнетательного клапана спирального компрессора.
7. Конструкция роторов спирального компрессора.
8. Преимущества и недостатки спиральных компрессоров перед другими типами компрессорных машин.