Роторные компрессионные машины

При относительно небольшой степени сжатия газов (менее 8) широко используются пластинчатые, водокольцевые и винтовые компрессоры, устройство и принцип действия которых аналогичен устройству и принципу действия одноименных насосов.

Пластинчатый компрессор.Пластинчатый компрессор имеет ротор, расположенный эксцентрично относительно внутренней полости корпуса. В пазах ротора свободно перемещаются пластины (см. рис. 3.13). При вращении ротора центробежной силой пластины выбрасываются из пазов и концами плотно прижимаются к корпусу, разделяя пространство между ротором и корпусом на ряд неравных по объему камер. По ходу перемещения газа объем камер вначале увеличивается, а затем, наоборот, уменьшается, что позволяет компрессору производить всасывание газа, а затем его сжатие. Достигаемая на практике степень сжатия газа обычно равна 3–4.

Производительность ротационного пластинчатого компрессора

, (4.59)

где е – эксцентриситет; n – число оборотов ротора (n = 750÷1500 об/мин);
l – длина пластины; D – внутренний диаметр корпуса; z = 20÷30 – число пластин; δ – толщина пластины; λ – коэффициент подачи.

Значение эксцентриситета принимается таким, чтобы отношение е/D не превышало значений 0,06÷0,07.

Коэффициент подачи можно рассчитать по формуле

, (4.60)

где коэффициент 0,05 для машин большой производительности, 0,1 – для малой.

Мощность по валу компрессора:

, (4.61)

где значение η_из для пластинчатых компрессоров лежит в пределах 0,55÷0,65.

Процесс сжатия газа в пластинчатых компрессорах приближенно принимают изотермическим, так как стенки и крышки корпуса охлаждаются водой.

Для создания разрежения используются пластинчатые вакуум-насосы с двумя, четырьмя, а иногда и большим числом пластин. Принцип действия их идентичен принципу действия пластинчатых компрессоров. Увеличение числа пластин в роторе повышает объемный к.п.д. вакуум-насоса, но одновременно усложняет конструкцию и увеличивает объем вредного пространства. Для уменьшения вредного пространства используется тот же способ, что и у поршневых компрессоров – перепуск газа из вредного пространства в камеру наименьшего давления.

Пластинчатые вакуум-насосы позволяют получить остаточное давление порядка 10 Па. Двухступенчатые вакуум-насосы понижают остаточное давление до 1,3 Па, а трехступенчатые – до 0,13 Па.

В водокольцевых компрессорах ротор также расположен в корпусе эксцентрично. Лопатки ротора расположены радиально и закреплены жестко (см. рис. 3.14). Камеры переменного объема, позволяющие газу расширяться и сжиматься, образуются с помощью водяного кольца, располагающегося на внутренней поверхности корпуса. Для этого корпус компрессора перед пуском примерно наполовину заполняется водой. При вращении ротора центробежной силой воду отбрасывает к стенкам корпуса и она образует кольцо. Лопатки эксцентрично расположенного ротора делят пространство между водяным кольцом и ротором на неравновеликие камеры. Количество жидкости, заливаемое в корпус компрессора, должно быть таким, чтобы концы всех лопаток были погружены в нее.

Производительность и затрачиваемая мощность водокольцевых компрессоров рассчитывается так же, как и пластинчатых, но к.п.д. у них значительно ниже (0,4÷0,45).

Водокольцевые компрессоры получили широкое применение благодаря своему простому устройству, надежности, пригодности для сжатия запыленных и агрессивных газов. В последнем случае в качестве рабочей жидкости используют масла, кислоты и другие жидкости.

Поскольку степень сжатия газа в водокольцевых компрессорах невелика (р₂/р₁ ≈ 2), то они в основном используются в качестве газодувок или вакуум-насосов.

Водокольцевые вакуум-насосы.Водокольцевые вакуум-насосы создают разрежение до 98 %. Для обеспечения высокого разрежения необходимо, чтобы температура рабочей жидкости, заполняющей корпус машины, была как можно ниже.

Винтовые компрессоры.Винтовые компрессоры имеют два ротора с параллельными осями, вращающимися в противоположных направлениях (рис. 4.20). Каждый из роторов представляет собой цилиндр с несколькими зубьями (обычно 3–4), расположенными по винтовой линии. Зубья одного ротора имеют выпуклый профиль, а другого – вогнутый. Между поверхностями роторов и корпуса образуются полости, заполняемые газом, перемещающимся при вращении роторов в продольном направлении. Вначале полости сообщаются с всасывающей зоной и заполняются газом. При дальнейшем вращении зубья отделяют этот объем от зоны всасывания, и происходит всасывание новой порции газа. В это же время ранее поступивший газ сжимается за счет изменения объема полости. При определенном положении ротора сжатый газ сообщается с зоной нагнетания, и происходит выталкивание газа.

Рисунок 4.20 – Схема винтового компрессора: 1 – корпус 2, 3 – роторы;

Степень сжатия газа в винтовых компрессорах зависит от отношения объемов полости в начале и конце процесса и достигает 12–15. Объемный к.п.д. компрессора мало зависит от степени сжатия газа и определяется числом оборотов роторов (n = 1000÷10000 об/мин) и размерами машины.

Затрачиваемая мощность на валу компрессора рассчитывается по работе адиабатического сжатия; адиабатический к.п.д. при этом у них выше, чем в машинах другого типа (0,75÷0,85).

Винтовые компрессоры применяются также в качестве вакуум-насосов, создавая разрежение порядка 98–99 %.

рисунок 4.21 – Схема компрессора с двумя вращающимися поршнями: 1 – корпус; 2 – поршень; 3 – всасывающий патрубок; 4 – нагнетательный патрубок

Компрессоры с двумя вращающимися поршнями имеют корпус эллиптической формы. Внутри корпуса расположены два ротора с сечениями в форме восьмерок, вращающиеся в противоположных направлениях. При вращении поршни плотно прилегают друг к другу и к корпусу, образуя в корпусе две разобщенные камеры: в одной из них происходит всасывание, в другой – нагнетание газа. При дальнейшем движении поршней газ находится в камере без изменения объема и давления до момента соединения ее с нагнетательным патрубком. В этот момент газ сжимается поршнями и выталкивается в нагнетательный газопровод. Схема компрессора с двумя вращающимися поршнями представлена на рис. 4.21.

Один из поршней компрессора приводится во вращение от двигателя, а второй связан с первым зубчатой передачей (передаточное число i = 1).

Производительность компрессора с двумя вращающимися поршнями приближенно может быть рассчитана по уравнению:

, (4.62)

где – диаметр круга, описываемого ротором; b – длина ротора; n – число оборотов ротора; l – коэффициент подачи, в среднем

Степень сжатия в компрессоре не превышает

Поскольку сжатие газа происходит практически при = const, то мощность, расходуемая на сжатие газа от давления до давления :

при (4.63)

Общими достоинствами описанных ротационных компрессоров и вакуум-насосов являются:

– равномерность подачи газа, независимо от изменения сопротивления в сети;

– отсутствие клапанов;

– компактность конструкции;

– простота регулировки производительности путем изменения числа оборотов ротора;

– относительно невысокая стоимость изготовления и эксплуатации.

Невысокая степень сжатия, сложность монтажа и обслуживания ограничивают их область применения.