10 Винтовые холодильные компрессоры
Винтовые компрессоры относятся к компрессорам объемного принципа действия. Рабочим органом винтовых компрессоров являются роторы или винты.
В компрессорах отсутствуют всасывающий и нагнетательный клапан, вместо них имеются всасывающие и нагнетательные окна.
Винтовые компрессоры-это измененная модификация роторного компрессора. Первые холодильные винтовые компрессоры появились только в 40-х годах.
Классификация винтовых компрессоров
1.По количеству роторов компрессоры делятся на однороторные, двухроторные и многороторные.
Однороторные компрессоры имеют один винт и два боковых уплотнительных диска. Преимущество таких компрессоров-простота конструкции,а недостаток-большие объемные потери из-за перетечек пара. Для уменьшения объемных потерь частоту вращения ротора увеличивают до .
Двухроторные компрессоры имеют два винта, зубъя которых входят во взаимное зацепление. Такой компрессор более сложный по конструкции по сравнению с однороторным.
Многороторные винтовые компрессоры состоят из трех и более роторов. Между роторами установлены специальные многогранные вставки. Он представляет собой несколько однороторных компрессоров, соединенных вместе. Они не нашли применения в холодильной технике из-за сложной конструкции и больших объемных потерь.
2.По направлению осей роторов: на вертикальные и горизонтальные.
Горизонтальные компрессры занимают большую площадь,но значительно удобнее в обслуживании и ремонте. Вертикальные винтовые компрессоры как правило применяются в судовых холодильных установках.
3.По степени герметичности: на сальниковые и бессальниковые.
Сальниковые компрессоры, как правило применются в аммиачных холодильных установках, а бессальниковые-в хладоновых.
4.По виду рабочего вещества: на компрессоры сухого сжатия (сухие), компрессоры мокрого сжатия (мокрые) и маслозаполненные винтовые компрессоры.
Сухие компрессоры работают на чистом паре холодильного агента без примесей.При этом увеличивается коэффициент теплопередачи теплооменных аппаратов и уменьшаются гидравлические потери в трубопроводах. В результате чего увеличивается холодильный коэффициент. В сухих компрессорах не допускается взаимное касание винтов друг о друга.(рис.24)
Для передачи вращения от одного ротора к другому устанавливают специальные синхронизирующие шестерни. Через зазоры между роторами и корпусом возникают большие перетечки, что приводит к значительным объемным потерям. В таких комрессорах также повышается частота вращения коленчатого вала до .
В мокрых компрессорах в полость сжатия впрыскивается жидкий холодильный агент. Жидкость уплотняет зазоры и отводит теплоту сжатия. В конце процесса сжатия весь жидкий холодильный агент выкипает. При этом уменьшаются объемные потери и уменьшается температура сжимаемого пара.
Недостатком мокрого сжатия является необходимость подачи жидкого холодильного агента из конденсатора. В испаритель поступает меньшее количетво холодильного агента, что приводит к уменьшению холодопроизводительности холодильной машины.
В маслозаполненных компрессорах в полость сжатия впрыскивается жидкое масло. В таких компрессорах разрешается взаимное касание зубъев ротора, отсутствуют синхронизирующие шестерни.(рис.25)
Масло выполняет три функции:
Уменьшает мощность трения
Уплотняет зазоры между ротором и корпусом
Отводит теплоту сжатия.
Недостатком таких компрессоров является наличие сложной масляной системы с маслоотделителем, маслосборником, маслоохладителем, масляным насосом, трубопроводов, запорной арматуры.
Преимущества винтовых компрессоров
1.Более высокие объемные и энергетические характеристики от 300 до 1500 кВт.
2.Высокая надежность и долговечность работы.
3.Хорошая уравновешенность конструкции.
4.Более высокое давление всасывания при одинаковой температуре кипения.
6.Малое количество пар трения.
Недостатки винтовых компрессоров
1.Худшие объемные и энергетические характеристики при холодопроизводительности менее 300 кВт и более 1500 кВт.
2.Сложная и громоздкая масляная система.
3.Высокий уровень шума.
4.Сложность изготовления винтов.
5.Возможность работы в неблагоприятных режимах.
6.Для достижения больших скоростей необходимо использовать мультипликатор.
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Синхронизирующие шестерни всегда имеют косые зубья с углом наклона, доходящим до 45, чтобы, хотя бы частично, компенсировать осевую силу, дейст-вающую на ведущий ротор. Зубья каленые и шлифованные или шевингованные с зазором между зубьями 0 0002 Ds, где Д, — диаметр делительной окружности большего колеса. Окружная скорость шестерен достигает 60 м / сек. Поскольку зазор в зубчатом зацеплении должен быть меньше зазора в роторе, шестерни смазываются обильно, даже в том случае, если передают небольшую мощность. [2]
Силовая нагрузка передается синхронизирующими шестернями . [3]
Роторы кинематически соединены между собой синхронизирующими шестернями , что обеспечивает вращение их без соприкосновения друг с другом. [4]
Вращение с ведущего ротора на ведомый передается синхронизирующими шестернями . [5]
Вращение с ведущего винта передается на ведомый синхронизирующими шестернями . [7]
Основными деталями винтовых компрессоров являются ведущий и ведомый роторы, синхронизирующие шестерни и корпус. [8]
Обильная смазка роторов в маслозаполненных винтовых компрессорах позволяет в ряде случаев исключить синхронизирующие шестерни , что упрощает конструкцию, снижает шум, но предъявляет высокие требования к качеству изготовления и прочностным характеристикам роторов. [9]
Для достижения лучшего сопряжения обоих роторов шведская фирма Атлас Копко делает зубчатый венец синхронизирующей шестерни ведомого ротора из двух частей, взаимное смещение которых позволяет выбрать люфт в шестернях. [10]
Обильная смазка ротора делает возможным непосредственное соприкосновение зубьев, при этом необходимость в синхронизирующих шестернях отпадает. [12]
Хотя роторы находятся в зацеплении, их поверхности не соприкасаются друг с другом, так как на нагнетательной стороне компрессора на валы роторов насажены синхронизирующие шестерни , с помощью которых вращение ведущего вала синхронно передается на ведомый. Благодаря этому винтовые компрессоры могут работать без смазки рабочих полостей. [13]
Чтобы понять принципы балансировки ромбического приводного механизма, вернемся к рис. 1.18, на котором можно видеть, что этот механизм состоит из двух кривошипов и соединяющих их рычажных передач, смещенных относительно оси двигателя; кривошипы вращаются в противоположных направлениях и связаны двумя синхронизирующими шестернями . Рабочий поршень прикреплен к верхней траверсе, а вытеснительный — к нижней. Все соединительные рычаги имеют одинаковую длину, образуя ромб, и механизм обеспечивает полную симметрию в любой момент времени рабочего цикла. Если массы поршней и связанных с ними возвратно-поступательно движущихся деталей равны, то центр тяжести ромба всегда будет расположен в его геометрическом центре, и, когда приводной механизм вращается, центр тяжести перемещается вверх вдоль линии хода. Силы инерции, возникающие при этом движении, можно компенсировать, добавляя к каждой распределительной шестерне вращающуюся массу, равную массе поршня, так, чтобы их центры тяжести периодически перемещались в направлении, обратном направлению движения центра тяжести ромба, и положение центра тяжести всей системы оставалось неизменным. Таким образом достигается идеальная балансировка сил инерции, направленных по вертикали. Ввиду характерной симметрии системы сумма сил инерции в горизонтальном направлении равна нулю и сумма моментов, обусловленных этими силами, также равна нулю. [14]
Преимуществом таких насосов перед шестеренчатыми является то, что их роторы силовой нагрузки не несут. Силовая нагрузка воспринимается синхронизирующими шестернями , жестко посаженными на валах роторов. Наряду с этим следует отметить, что равномерность подачи жидкости в нагнетательный трубопровод у кулачковых насосов меньшая по сравнению с шестеренчатыми. [15]
Винтовой компрессор — Rotary-screw compressor
Воспроизвести медиа
А винтовой компрессор это тип газовый компрессор, например, воздушный компрессор, в котором используется механизм прямого вытеснения роторного типа. Они обычно используются для замены поршневые компрессоры там, где требуются большие объемы воздуха под высоким давлением, либо для крупных промышленных применений, таких как чиллеры, или для работы с мощными пневматическими инструментами, такими как отбойные молотки и гайковерты. Для ротора меньшего размера внутренняя утечка в роторе становится намного более значительной, что приводит к тому, что этот тип механизма не подходит для небольших воздушных компрессоров.
Процесс сжатия газа во вращающемся винте представляет собой непрерывное движение, поэтому пульсация или помпаж потока очень незначительны, как в поршневых компрессорах. Это также позволяет винтовым компрессорам работать значительно тише и производить гораздо меньшую вибрацию, чем поршневые компрессоры, даже при больших размерах, и дает некоторые преимущества в эффективности.
Содержание
Работающий
В винтовых компрессорах используются два очень тесно связанных друг с другом спиральные винты, известные как роторы, для сжатия газа. В винтовых компрессорах с сухим ходом синхронизирующие шестерни обеспечивают точное выравнивание охватываемого и охватывающего роторов без контакта, что может привести к быстрому износу. В маслозаполненных винтовых компрессорах смазочное масло перекрывает пространство между роторами, обеспечивая гидравлическое уплотнение и передачу механической энергии между роторами, позволяя одному ротору полностью приводиться в движение другим. Газ поступает со стороны всасывания и движется через резьбу при вращении винтов. Роторы, входящие в зацепление, проталкивают газ через компрессор, и газ выходит через конец винтов. Рабочая зона представляет собой межлопаточный объем между охватываемым и охватывающим роторами. Он больше на впускном конце и уменьшается по длине роторов до выпускного отверстия. Это изменение объема и есть сжатие. Всасываемый заряд втягивается на концах роторов в большой зазор между охватываемым и охватывающим кулачками. На впускном конце охватываемая часть намного меньше, чем ее охватывающая часть, но относительные размеры меняют пропорции по длине обоих роторов (охватываемая часть становится больше, а охватывающая часть меньше) до тех пор, пока (по касательной к выпускному отверстию) не появится зазор между ними. пара долей намного меньше. Это уменьшение объема вызывает сжатие заряда перед подачей в выходной коллектор. [1]
Эффективность этого механизма зависит от точной подгонки зазоров между винтовыми роторами и между роторами и камерой для герметизации полостей сжатия. Однако некоторая утечка неизбежна, и необходимо использовать высокие скорости вращения, чтобы минимизировать отношение скорости потока утечки к эффективной скорости потока.
В отличие от Воздуходувки Современные винтовые компрессоры изготавливаются с разными профилями на двух роторах: охватываемый ротор имеет выпуклые выступы, которые входят в зацепление с вогнутыми полостями охватывающего ротора. Обычно у охватываемого ротора меньше лепестков, чем у ведомого ротора, поэтому он вращается быстрее. Первоначально винтовые компрессоры изготавливались с симметричными профилями полости ротора, но в современных версиях используются асимметричные роторы, при этом точная конструкция ротора является предметом патентов. [2]
Размер
Производительность винтовых компрессоров обычно оценивается в Лошадиные силы (HP), Стандартные кубические футы в минуту (SCFM )* и фунтов на квадратный дюйм (PSI). Для агрегатов мощностью от 5 до 30 л.с. физические размеры этих агрегатов сопоставимы с типичным двухступенчатым компрессором. В качестве Лошадиные силы увеличивается, есть существенная экономия на масштабе в пользу винтовых компрессоров. Например, составной компрессор мощностью 250 л.с. — это большая часть оборудования, которая обычно требует специального фундамента, помещений и высококвалифицированного персонала. такелажники разместить оборудование. С другой стороны, роторно-винтовой компрессор мощностью 250 л.с. может быть размещен в обычном цехе с использованием стандартного автопогрузчик. В промышленности роторно-винтовой компрессор мощностью 250 л.с. обычно считается компактным оборудованием.
Винтовые компрессоры обычно доступны в диапазоне от 5 до 500 л.с. и могут производить потоки воздуха, превышающие 2500 кубических футов в минуту. Хотя существуют винтовые компрессоры высокого давления, в сообществе сжатого воздуха верхний предел давления обычно составляет около 125 фунтов на квадратный дюйм.
Винтовые компрессоры имеют тенденцию к плавной работе с ограниченной вибрацией, поэтому не требуют специального фундамента или системы крепления. Обычно винтовые компрессоры монтируются с использованием стандартной резины. изоляционные крепления разработан для поглощения высокочастотных вибраций. Это особенно актуально для винтовых компрессоров, работающих с высокими частотами вращения.
* В меньшей степени некоторые компрессоры рассчитаны на Фактические кубические футы в минуту (ACFM ). Третьи оценены в Кубических футов в минуту (CFM). С помощью CFM [3] для компрессора неправильно, потому что он представляет собой расход, не зависящий от эталонного давления. т.е. 20 CFM при 60 фунтов на квадратный дюйм.
Приложения
Винтовые компрессоры обычно используются для подачи сжатого воздуха для крупных промышленных предприятий. Их лучше всего применять в приложениях, которые имеют постоянную потребность в воздухе, таких как заводы по упаковке пищевых продуктов и автоматизированные производственные системы, хотя достаточно большое количество периодических запросов, наряду с некоторыми хранилищами, также будет представлять подходящую постоянную нагрузку. Помимо стационарных агрегатов, винтовые компрессоры обычно устанавливаются на прицепах-тягачах и приводятся в действие небольшими дизельными двигателями. Эти портативные компрессионные системы обычно называют строительными компрессорами. Строительные компрессоры используются для подачи сжатого воздуха в отбойные молотки, клепальные инструменты, пневматические насосы, пескоструйные машины и промышленные системы окраски. Их часто можно увидеть на строительных площадках и на дежурстве у бригад по ремонту дорог по всему миру.
Без масла
В безмасляном компрессоре воздух полностью сжимается за счет действия винтов, без помощи масляного уплотнения. В результате они обычно имеют более низкое максимальное давление нагнетания. Однако многоступенчатые безмасляные компрессоры, в которых воздух сжимается несколькими наборами винтов, могут достигать давления более 150 фунтов на квадратный дюйм (10 атм) и выходного объема более 2000 кубических футов в минуту (57 м 3 / мин).
Безмасляные компрессоры используются в приложениях, где унос уносимого масла недопустим, например, в медицинских исследованиях и производстве полупроводников. Однако это не исключает необходимости фильтрации, так как углеводороды и другие загрязнители, попавшие в атмосферу из окружающего воздуха, также должны быть удалены до использования. Следовательно, для обеспечения качества сжатого воздуха часто требуется обработка воздуха, идентичная той, которая используется для масляного винтового компрессора.
С впрыском масла
В роторно-винтовом компрессоре с впрыском масла масло впрыскивается в компрессионные полости, чтобы способствовать герметизации и охлаждению газовой смеси. Масло отделяется от нагнетаемого потока, охлаждается, фильтруется и возвращается в цикл. Масло улавливает неполярные частицы из поступающего воздуха, эффективно снижая количество частиц при фильтрации сжатого воздуха. Некоторое количество увлеченного компрессорного масла обычно попадает в поток сжатого газа после компрессора. Во многих приложениях это исправляется коагулянт / фильтровальные сосуды. [4] Охлажденный осушители сжатого воздуха с внутренними холодными коалесцирующими фильтрами предназначены для удаления большего количества масла и воды, чем коалесцирующие фильтры, которые находятся после осушителей воздуха, потому что после охлаждения воздуха и удаления влаги холодный воздух используется для предварительного охлаждения горячего входящего воздуха, что согревает выходящий воздух. В других приложениях это устраняется использованием ресиверов, которые снижают локальную скорость сжатого воздуха, позволяя маслу конденсироваться, выпадать из воздушного потока и удаляться из системы сжатого воздуха с помощью оборудования для управления конденсатом.
Винтовые компрессоры с впрыском масла используются в приложениях, допускающих низкий уровень масляного загрязнения, таких как работа с пневматическим инструментом, герметизация трещин и обслуживание мобильных шин. [ нужна цитата ] Новые маслозаполненные винтовые воздушные компрессоры выделяют менее 5 мг / м3 масла. [5] Масло PAG — это полиалкиленгликоль, который также называют полигликоль. Масло PAG чисто горит, не оставляя следов, и использовалось в качестве носителя масло для твердых смазок для высокотемпературной смазки цепей. [6] Некоторые версии являются пищевыми и биоразлагаемыми. Смазочные материалы PAG используются двумя крупнейшими производителями воздушных компрессоров США в винтовых воздушных компрессорах. [7] Компрессоры с впрыском масла PAG не используются для распыления краски, потому что масло PAG растворяет краски. Реакционно-твердеющие двухкомпонентные краски на основе эпоксидной смолы устойчивы к маслу PAG. Компрессоры PAG не идеальны для применений, в которых уплотнения покрыты консистентной смазкой на основе минерального масла, таких как 4-ходовые клапаны и воздушные цилиндры, которые работают без масленок на минеральной основе, поскольку PAG смывает минеральную смазку и разрушает резину Buna-N. [8]
Конический винтовой компрессор
Относительно недавно разработанный конический винтовой компрессор, по сути, является продолжением конической спирали компрессора. геротор. Он не имеет собственного пути утечки «продувки», которая в хорошо спроектированных винтовых компрессорах является причиной значительной утечки через узел. Это позволяет роторам гораздо меньшего размера иметь практическую эффективность, поскольку при меньших размерах площадь утечки не становится такой же большой частью площади перекачки, как в прямолинейных винтовых компрессорах. В сочетании с уменьшающимся диаметром конусообразного ротора это также позволяет значительно повысить степень сжатия в одноступенчатом режиме с более низкой пульсацией на выходе. [9]
Схемы управления
Среди винтовых компрессоров существует несколько схем управления, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.
Старт / стоп
В схеме управления пуском / остановом средства управления компрессором приводят в действие реле для подачи и отключения питания двигателя в соответствии с потребностями в сжатом воздухе. Значительное хранилище требуется в большинстве случаев использования, если нагрузка является непостоянной или плохо согласована с компрессором, требуемое хранилище часто будет больше, чем сам компрессор.
Загрузка / разгрузка
В схеме управления нагрузкой / разгрузкой компрессор остается постоянно включенным. Однако когда потребность в сжатом воздухе удовлетворяется или уменьшается, вместо отключения питания компрессора активируется устройство, известное как золотниковый клапан. Это устройство открывает часть ротора и пропорционально снижает производительность машины до 25% мощности компрессора, тем самым разгрузка компрессор. Это уменьшает количество циклов пуска / останова электродвигателей по сравнению со схемой управления пуском / остановом в компрессорах с электрическим приводом, увеличивая срок службы оборудования с минимальным изменением эксплуатационных расходов. Эта схема используется почти всеми производителями промышленных воздушных компрессоров. Когда схема управления нагрузкой / разгрузкой комбинируется с таймером для остановки компрессора после заранее определенного периода непрерывной работы без нагрузки, это называется схемой двойного управления или автоматической двойной схемой. Эта схема управления по-прежнему требует хранения, поскольку для соответствия потреблению доступны только две скорости производства, хотя и значительно меньше, чем схема запуска / остановки.
Модуляция
Вместо того, чтобы запускать и останавливать компрессор, золотниковый клапан, как описано выше, непрерывно регулирует производительность в соответствии с потребностями, а не управляется шагами. Хотя это обеспечивает постоянное давление нагнетания в широком диапазоне требований, общее потребление энергии может быть выше, чем при схеме нагрузки / разгрузки, что приводит к примерно 70% потребляемой мощности при полной нагрузке, когда компрессор находится в состоянии нулевой нагрузки.
Из-за ограниченной регулировки потребляемой мощности компрессора относительно выходной мощности сжатого воздуха модуляция обычно является неэффективным методом управления по сравнению с приводами с регулируемой скоростью. Однако для приложений, где невозможно часто останавливать и возобновлять работу компрессора (например, когда компрессор приводится в действие двигателем внутреннего сгорания и работает без ресивера сжатого воздуха), модуляция подходит. Непрерывно регулируемая производительность также устраняет необходимость в значительном хранении, если нагрузка никогда не превышает мощность компрессора.
Переменное смещение
Используется компрессорными компаниями Quincy Compressor, Kobelco, Гарднер Денвер, и Sullair, регулируемый рабочий объем изменяет процентную долю роторов винтовых компрессоров, работающих на сжатие воздуха, позволяя воздушному потоку обходить части винтов. Хотя это действительно снижает энергопотребление по сравнению со схемой управления модуляцией, система загрузки / разгрузки может быть более эффективной при больших объемах хранения (10 галлонов на кубический фут в минуту). Если большой объем хранилища нецелесообразен, система переменного рабочего объема может быть очень эффективной, особенно при полной нагрузке более 70%. [10]
Одним из способов достижения переменного рабочего объема является использование нескольких подъемных клапанов на стороне всасывания компрессора, каждый из которых подсоединен к соответствующему месту на выпуске. В автомобильных нагнетателях это аналогично работе перепускного клапана.
Переменная скорость
В то время как воздушный компрессор, приводимый в действие частотно-регулируемым приводом, может предложить самые низкие эксплуатационные затраты на электроэнергию без какого-либо заметного сокращения срока службы по сравнению с правильно обслуживаемым компрессором нагрузки / разгрузки, силовой инвертор переменной частоты привода регулируемой скорости обычно значительно увеличивает стоимость конструкции такого компрессора, что снижает его экономические преимущества по сравнению с компрессором нагрузки / разгрузки надлежащего размера, если потребность в воздухе постоянна. Однако привод с регулируемой скоростью обеспечивает почти линейную зависимость между потребляемой мощностью компрессора и подачей наружного воздуха, обеспечивая наиболее эффективную работу в очень широком диапазоне потребности в воздухе. Компрессор все равно должен будет перейти в режим пуска / останова из-за очень низкой нагрузки, так как эффективность все еще быстро падает при низкой производительности из-за утечки ротора. В суровых условиях (жаркая, влажная или пыльная) электроника преобразователей частоты может нуждаться в защите для сохранения ожидаемого срока службы. [11]
Нагнетатели
Двухвинтовой нагнетатель представляет собой положительное смещение Тип устройства, который работает, проталкивая воздух через пару зацепляющихся винтов с малым допуском, аналогично набору червячных шестерен. Двухвинтовые нагнетатели также известны как нагнетатели Lysholm (или компрессоры ) в честь их изобретателя, Альф Лисхольм. [12] Каждый ротор радиально симметричен, но асимметричен по бокам. Для сравнения, обычные Воздуходувки типа «Рутс» иметь либо идентичные роторы (с прямыми роторами), либо роторы с зеркальным отображением (со спиральными роторами). Мужской ротор производства Whipple имеет три лопасти, а женский — пять лопастей. Мужской ротор Kenne-Bell имеет четыре лопасти, а женский — шесть лопастей. Самок в некоторых более ранних моделях было четыре. Для сравнения: нагнетатели Рутса всегда имеют одинаковое количество лопастей на обоих роторах, обычно 2, 3 или 4.
Сравнительные преимущества
Винтовой компрессор имеет низкий уровень утечек и низкие паразитные потери по сравнению с компрессором Рутса. Нагнетатель обычно приводится в действие непосредственно от коленчатого вала двигателя через ременную или зубчатую передачу. в отличие от Нагнетатель типа Рутса, двушнековый винт демонстрирует внутреннее сжатие, которое представляет собой способность устройства сжимать воздух внутри корпуса, когда он перемещается через устройство, вместо того, чтобы полагаться на сопротивление потоку за выпускным отверстием для повышения давления. [13]
Требование высокой точности управляемый компьютером Технология изготовления делает винтовой нагнетатель более дорогой альтернативой другим формам доступной принудительной индукции. С более поздними технологиями стоимость производства была снижена, а производительность увеличилась.
Все типы нагнетателей выигрывают от использования интеркулер для уменьшения количества тепла, выделяемого при перекачке и сжатии.
Яркий пример технологии, применяемой Twin-винтом в таких компаниях, как Форд, Mazda, Мерседес и Меркурий Марин может также продемонстрировать эффективность двухвинтового винта. Хотя некоторые центробежные нагнетатели стабильны и надежны, они обычно не обеспечивают полный наддув до почти пиковых оборотов двигателя, в то время как нагнетатели прямого вытеснения, такие как Нагнетатели типа Рутса и двухвинтовые типы обеспечивают более быстрое ускорение. В дополнение к этому, двухвинтовые нагнетатели могут поддерживать разумный наддув до более высоких оборотов лучше, чем другие нагнетатели прямого вытеснения.
Связанные термины
Термин «воздуходувка» обычно используется для обозначения устройства, устанавливаемого на двигатели с функциональной потребностью в дополнительном потоке воздуха, такого как 2-тактный дизельный двигатель, где положительное давление на впуске необходимо для «очистки» или очистки отработавших выхлопных газов из цилиндра и нагнетания свежего впускного заряда в цилиндр перед тактом сжатия. Термин «воздуходувка» применяется к ротационным винтовым компрессорам, компрессорам типа Рутса и центробежным компрессорам, когда они используются в составе автомобильных принудительная индукция система.
Винтовой компрессор
Винтовой компрессор относится к области компрессоростроения. Конструкция винтового компрессора обуславливается измененной конструкцией винтовых частиц роторов, сводящейся к тому, что они образованы однозаходной или двухзаходной резьбой, состоящей из первых двух витков, выполняющих функцию формирования замкнутой полости между ними на всасывание, и сжимающих витков, осуществляющих сжатие газа в своих межвитковых полостях. Число сжимающих витков зависит от отношения геометрической степени сжатия компрессора к допустимой геометрической степени сжатия в межвитковой полости сжимающих витков. Угол наклона формирующих витков непрерывно уменьшается, а угол наклона сжимающих витков непрерывно увеличивается по ходу резьбы в сторону нагнетания. Ротор с винтовой частью с винтовыми канавками находится в зацеплении с роторами с винтовыми частями с выступающими витками. Число последних от одного до четырех включительно на один ротор с винтовой частью с винтовыми канавками. Каждый ротор имеет по две винтовые части на конструктивном удалении друг от друга, которые находятся в противофазе. Повышается производительность, упрощается профиль зубьев, снижается шум при работе. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области компрессоростроения.
Ближайшим аналогом изобретения является винтовой компрессор, широко эксплуатирующийся в настоящее время. Он имеет винтовые части роторов с выпуклыми зубьями для ведущего ротора и вогнутыми впадинами для ведомого ротора. Число зубьев ведущего ротора — четыре, а ведомого — шесть. Профили резьбы в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, — сложные, асимметричные, угол закрутки — 270 — 310 градусов.
(Амосов П. Е. и др. , Винтовые компрессорные машины, Справочник Машиностроение, Ленинград, 1977, с. 67 — 68).
Характер зацепления винтовых частей роторов аналога состоит в том, что во впадинах одной винтовой части находятся зубья другой винтовой части. При этом впадины обеих винтовых частей объединяются в общую полость при сжатии и нагнетании и отделяются линией зацепления от тех частей впадин, которые находятся на стороне всасывания. Объединенная полость оказывается замкнутой стенками расточки корпуса и стенкой крышки нагнетательного патрубка, а также линией зацепления между зубом и впадиной.
Способ сжатия газа в аналоге такой же, как и у поршневого компрессора, т. е. подвижный поршень при своем движении к неподвижной стенке сжимает газ, находящийся между ними.
Недостатки ближайшего аналога: 1) сложный профиль зубьев, 2) при четырех зубьях относительный объем парных полостей — небольшой, что ухудшает объемную производительность компрессора, 3) большая скорость нарастания давления, так как угол закрутки 270 — 310 градусов, и, как следствие, значительная шумность работы компрессора, 4) наличие окон всасывания и нагнетания, 5) на один ротор с вогнутыми впадинами приходится один ротор с выпуклыми зубьями.
Техническая задача заключается в устранении указанных недостатков и решается тем, что винтовой компрессор, содержащий корпус с расточками, роторы с винтовыми частями, образованные выступающими витками и винтовыми канавками, расположенными в расточках корпуса и находящимися в зацеплении, камеры всасывания и нагнетания, синхронизирующие шестерни, резьба винтовой части ротора с выступающими витками выполнена однозаходной или двухзаходной и состоит из формирующих и сжимающих витков, число которых соответственно равно 2 и i, где а доп — геометрическая степень сжатия компрессора и об — допустимая геометрическая степень сжатия в одной межвитковой полости, причем угол наклона формирующих витков непрерывно уменьшается, а угол наклона сжимающих витков непрерывно увеличивается по ходу резьбы в сторону нагнетания, а толщина витков по среднему диаметру постоянна и не превышает 0,2L, где L — величина шага первых двух витков резьбы, являющихся формирующими, при этом число роторов с выступающими витками на один ротор с винтовыми канавками равно от одного до четырех включительно, а сами роторы уравновешены и имеют по две отдельные друг от друга винтовые части, находящиеся в противофазе, на каждом роторе.
В частном случае для решения технической задачи используется конструкция компрессора, у которого винтовая часть ротора с винтовыми канавками имеет наружный диаметр больше наружного диаметра винтовой части ротора с выступающими витками, а уравновешенные роторы выполнены сборными с полой винтовой частью, внутри которой выполнены винтовые канавки и/или наступающие витки, а в случае невозможности выполнения роторов сборными они выполняются с использованием двухзаходной резьбы или с винтовыми противовесами, размещенными вне их винтовых частей.
Возможность осуществления зацепления винтовых частей роторов с постоянно меняющимся углом наклона винтовых линий и образующей цилиндра по ходу резьбы, т. е. возможность осуществления изобретения, показывается ниже на примере геометрического построения такого зацепления и использования теории зацепления и ее основного закона.
На фиг. 1 показана конструкция винтовой части ротора, на фиг. 2 — конструкция винтового компрессора, на фиг. 3 — шлицевое соединение для осуществления углового смещения винтовой части относительно ротора, на фиг. 4 — зацепление винтовых частей роторов с постоянно меняющимся шагом.
Конструкция винтовых частей в зацеплении приведена на фиг. 1. Она включает в себя ротор 1 с винтовой частью в виде выступающих витков. Ротор 1 и ротор 2 аналогичны ротору с вогнутыми впадинами и ротору с выпуклыми зубьями в прототипе. Ротор 1 и ротор 2 находятся в зацеплении друг с другом своими винтовыми частями в цилиндрических расточках корпуса 3. Винтовые части выполнены однозаходной или многозаходной, например, двухзаходной резьбой. Резьбы выполнены с меняющимся углом наклона винтовой линии к образующей цилиндра по ходу резьбы. Предпочтение отдается однозаходной резьбе, при которой производительность компрессора — наибольшая. На фиг. 1 винтовая часть ротора с выступающими витками выполнена однозаходной резьбой и состоит из витков, первые два из которых называются формирующими замкнутую полость на всасывании, а остальные витки — сжимающими газ в замкнутых полостях. Полость между двух витков на всасывании, как и любая полость между другими любыми двумя витками ротора 2, оказывается замкнутой благодаря зацеплению витков с винтовыми канавками ротора 1 и окружающим ее поверхностям цилиндрической расточки корпуса и цилиндрической поверхности винтовой части ротора 1 в пределах этих двух витков.
Формирующие витки имеют непрерывно слабо уменьшающийся угол наклона винтовой линии к образующей цилиндра по ходу резьбы. Такое изменение угла наклона связано с тем, что при формировании замкнутой полости на всасывании оно учитывает обратное перетекание газа и нагрев поступающего при всасывании газа от поверхностей винтовых частей и от перетекаемого газа, которые приводят к увеличению объема всасываемого газа, и предотвращает тем самым влияние обратного потока газа на равномерность поступления всасываемого газа в винтовую часть роторов и уменьшает шум. Изменение угла наклона формирующих витков находится из условия: Vп = V0(1+), (1) где Vп — объем замкнутой полости на всасывании с изменяемым углом наклона винтовой линии формирующих витков: V0 — объем замкнутой полости на всасывании без учета перетечек и подогрева газа, определяемый как объем замкнутой полости между двух витков с постоянным углом наклона их винтовой линии; — коэффициент, учитывающий перетекание в формируемую полость и подогрев газа.
Число сжимающих витков i определяется отношением: где об — геометрическая степень сжатия компрессора, равная отношению объема замкнутой полости на всасывании в момент ее образования к объему замкнутой полости в момент начала нагнетания; доп — допустимая геометрическая степень сжатия витками в одной межвитковой полости, равная, как это следует из формулы 2, относительному изменению объема замкнутой полости за 1 оборот ротора, которая также определяет скорость нарастания давления. Общее число витков винтовой части равно z=2+i. По аналогии с поршневым компрессором число i равно числу ступеней сжатия в неохлаждаемом поршневом компрессоре.
Угол наклона винтовой линии сжимающих витков непрерывно увеличивается по ходу резьбы к камере нагнетания. Средняя толщина витков по высоте и на всем протяжении резьбы постоянна и выбирается из соотношения: 0,2L, (3) где L — шаг, образованный двумя формирующими витками в положении их зацепления с винтовой канавкой.
Наиболее технологично винтовая часть ротора 2 образуется кольцами, разрезанными по радиусу, растянутыми на нужный шаг, сваренными между собой и приваренными к наружной поверхности цилиндра, сажаемого на ротор.
Относительная высота зуба выступающего витка равна отношению разности радиусов наружной и внутренней окружности винтовой части к радиусу наружной окружности и не превышает 0,5.
Ротор 1 имеет винтовую часть с винтовыми канавками, являющимися ответной резьбой резьбе винтовой части ротора 2 с выступающими витками. В различных вариантах изготовления винтового компрессора он находится в зацеплении с одним, двумя, тремя и четырьмя роторами 2 с винтовой частью с выступающими витками. При этом их наружные и внутренние диаметры резьбы одинаковые. Если наружные и внутренние диаметры резьбы винтовой части ротора 1 с винтовыми канавками больше, чем у резьбы винтовых частей ротора 2, то максимальное число роторов 2 на один ротор 1 более четырех.
Характер зацепления рассмотренных винтовых частей отличается от характера зацепления их в прототипе. Отличие состоит в том, что все образуемые полости при зацеплении рассматриваемых винтовых частей остаются изолированными друг от друга от момента их образования на всасывании до момента их соединения с полостью нагнетания. Таких полостей четыре. Две из них образуются при нахождении зуба витка в винтовой канавке, которая делится этим зубом на полости, смежные друг другу. Две смежные полости образует сам выступающий виток, являясь разделяющим эти две смежные полости.
Способ сжатия газа в таких винтовых частях состоит в том, что после всасывания и образования замкнутой полости с газом этот газ переносится и одновременно сжимается между двумя подвижными поверхностями, расстояние между которыми уменьшается. Такими поверхностями являются соседние выступающие витки. Отдельно и аналогичным образом газ сжимается в винтовой канавке. Степень сжатия газа между выступающими витками отличается от степени сжатия газа в винтовой канавке, где движущимися поверхностями являются зубья в канавке.
Геометрическая степень сжатия газа в винтовой канавке равна отношению длины отсеченной канавки l0 в момент ее образования формирующими витками на всасывании к длине винтовой канавки l между сжимающими витками в момент начала нагнетания. Длина отсеченной винтовой канавки на всасывании зависит от угла наклона винтовой линии у зуба второго формирующего витка при нахождении его в винтовой канавке одновременно с отсекающим зубом. При схеме компрессора, состоящего из одного ротора 1 и одного ротора 2, отсекающим зубом на всасывании является зуб первого формирующего витка. Первый и второй формирующие витки являются полными, т.е. каждый из них имеет угловую протяженность 360 градусов, поэтому в момент отсечения части винтовой канавки в ней одновременно находятся оба зуба формирующих витков.
При схеме компрессора, состоящего из одного ротора 1 и нескольких роторов 2, отсекающим часть канавки зубом является зуб первого формирующего витка другого ротора 2, смещенного относительно первого ротора 2 на угол 360 : n, где n — число роторов 2 в компрессоре.
Отсеченная часть канавки в момент начала ее нагнетания находится между зубьями последних двух сжимающих витков ротора 2, когда ротор 2 один, а при нескольких роторах 2 замыкающий зуб принадлежит витку другого ротора 2, смещенного на угол 360 : n относительно первого ротора 2. Длина отсеченной части канавки в момент начала ее нагнетания равна l.
Таким образом, геометрическая степень сжатия газа в винтовой канавке равна
Относительный объем всей винтовой канавки на винтовой части ротора 1 зависит от числа роторов 2. С увеличением этого числа относительный объем ее уменьшается.
На каждом роторе предусматривается по две цилиндрические винтовые части, расположенные конструктивно на расстоянии друг от друга, называемом разделяющей частью 4 ротора. Резьба винтовых частей ротора выполнена в противофазе. Поэтому осевые газовые силы уравновешиваются, а также уравновешиваются силы инерции и моменты от них, вызываемые витками однозаходной резьбы.
При необходимости уменьшения габаритов компрессора в длину используются роторы с одной винтовой частью на каждом роторе. При выполнении ротора сборным винтовые части роторов изготавливаются полыми. В этом случае уравновешивание инерционных сил и их моментов от витков однозаходной резьбы осуществляется выполнением уравновешивающей резьбы внутри винтовых частей ротора /фиг. 1/.
Если винтовая часть имеет выступающие витки, то уравновешивание ее выполняется внутри нее винтовыми канавками 5, повторяющими уравновешиваемую резьбу, т. е. с фазой, равной нулю, или выступающими витками 6 с фазой 180 градусов, или первым и вторым одновременно.
Фазы меняются местами при уравновешивании винтовой части с винтовыми канавками.
Если роторы имеют винтовые части небольшого диаметра и выполнены без полости внутри, то такие винтовые части имеют двухзаходную резьбу и не требуют уравновешивания, либо имеют однозаходную резьбу, но уравновешиваются винтовыми противовесами, размещаемыми на валу ротора вне винтовых частей.
На фиг. 3 показано шлицевое соединение для осуществления углового смещения винтовой части относительно ротора. Два диаметрально противоположных паза под шлицы вырезаются на внутренней поверхности цилиндра 7 с винтовой частью. На поверхности 8 ротора выполняются шлицы под эти пазы. Ширина паза делается значительно шире толщины шлица, что позволяет цилиндру 7 с винтовой частью иметь угловое смещение относительно ротора, что необходимо при регулировке зазоров при зацеплении винтовых частей роторов 1 и 2. Положение цилиндра 7 на роторе фиксируется набором прокладок, устанавливаемых в зазор между шлицем и стенками паза. От осевого смещения цилиндр 7 на роторе удерживается сварными кольцами 11, которые крепятся к телу ротора. С тем же результатом выполняются шлицы на цилиндре 7 с винтовой частью, а ответные пазы — на роторе.
Для регулирования зазоров между витками используются синхронизирующие шестерни, имеющие зубчатые венцы с возможностью их углового смещения.
Помимо цилиндрической винтовой части, одинаковой по наружному диаметру с ответной винтовой частью, винтовые компрессоры выполняются с винтовыми частями по форме коническими, а по размерам — цилиндрические с разными диаметрами.
Конструкция компрессора в целом схематично представлена на фиг. 2. Он состоит из корпуса 3, одного ротора 1 с двумя одинаковыми винтовыми частями 12 с винтовыми канавками в противофазе друг другу и четырех роторов 2 с двумя винтовыми частями 13 с выступающими витками на каждом роторе и находящимися в противофазе. Винтовые части по форме цилиндрические и располагаются в цилиндрических расточках корпуса 3. Роторы имеют синхронизирующие шестерни 14. Ротор 1 имеет удлинение вала 15 для присоединения компрессора к приводу. Роторы 1 и 2 имеют опорные и опорно-упорные подшипники скольжения, образованные разъемными вкладышами, которые расположены в разъемных обоймах 18. Корпус 3 с торцов закрывается крышками 17.
Камера нагнетания образована внутри корпуса 3, где размещены разделяющие части 4, меньшие по диаметру, чем винтовые части роторов. Благодаря этому образуется объем камеры нагнетания. Камера нагнетания соединена трубопроводом 18 с потребителем сжатого газа. Камера всасывания образована между подшипниковой обоймой 16 и торцами винтовых частей 12 и 13. Камера всасывания окружена коллектором 19 с фильтром 20, охватывающим прорези в корпусе 3 для прохода газа в камеру всасывания. Компрессор имеет две камеры всасывания.
Работа компрессора осуществляется следующим образом. Воздух или другой газ, пройдя фильтр 20 и коллектор 19, поступает в камеру всасывания. Винтовые части роторов при вращении осуществляют всасывание. Происходит это следующим образом. При выходе из зацепления конца формирующего витка 6a /фиг. 1/ из зацепления с винтовой канавкой 5a на стороне всасывания при вращении ротора 5 против часовой стрелки он начинает формировать полость между винтовой поверхностью, образованной ранее, которая отделяется от стороны всасывания из-за вращения ротора, и вновь создаваемой винтовой поверхностью выходящим из зацепления формирующим витком 6a. В эту создаваемую полость поступает газ из камеры всасывания до тех пор, пока имеется вход в нее, т.е. до тех пор, пока конец формирующего витка не пойдет снова через один оборот в зацепление с винтовой канавкой 5a. Полость с газом оказывается отсеченной и в дальнейшем из-за увеличения угла наклона сжимающих витков шаг между витками уменьшается, что ведет к уменьшению объема полости и возрастанию в ней давления. Когда последний выступающий виток 6a на стороне нагнетания выходит из зацепления, то замыкаемая этим витком полость открывается и соединяется с камерой нагнетания. Последующий виток выталкивает газ из раскрытой полости в камеру нагнетания. Из-за газа из камеры всасывания в камеру нагнетания на стороне всасывания создается разрежение.
Одновременно идет сжатие газа в канавках винтовой части ротора 1. Однако, степень сжатия газа в ней меньше, чем между выступающими витками. Процесс идет с недожатием.
В реально действующем компрессоре имеют место перетечки газа из полостей повышенного давления в полости пониженного давления. За счет перетечек недожатый газ в канавке будет повышать свое давление, и при подходе к камере нагнетания оно будет отличаться от давления в камере нагнетания незначительно.
На фиг. 4 показывается характер зацепления винтовых частей роторов с постоянно меняющимся шагом и возможность осуществления его. Огибаемыми и огибающими профилями в винтовых частях роторов при однозаходной /или двухзаходной/ резьбе являются отрезки прямой, равные по величине высоте зубьев R-r, являющиеся образуемыми винтовых поверхностей. Это отрезки a, b c и d, условно считаем, что отрезок a — огибаемый, а отрезок b — огибающий, аналогично отрезок c — огибаемый и отрезок d — огибающий. Строго согласно основному закону зацепления эти отрезки не могут образовать непрерывную линию контакта. От них этого не требуется. Основная их задача обогнуть друг друга, чтобы прийти в отсекающее сечение А-А c возможно меньшими боковыми зазорами t в этом сечении. Огибание одного отрезка другим оказывается возможным только благодаря зазорам t, которые позволяют одному отрезку проходить раньше или позже /в зависимости от направления вращения роторов/, место их встречи /натыкание друг на друга/, неизбежное в случае отсутствия этих зазоров.
Из построения зацепления на фиг. 4 видно, что величины /абсолютные и относительные/ зазоров и толщина витка зависят от высоты зуба R-r и угла наклона винтовой линии. Величина толщины зуба совместно с зазором t обеспечивают прохождение отрезка b относительно отрезка d без касания.
Так как толщина витка /минимально необходимая/ зависит помимо высоты зуба от величины шага, то в лучшем варианте винтовая часть ротора имеет переменную /клиновидную/ толщину витков. Однако, для упрощения технологии изготовления винтовых частей роторов толщина витков выполняется одинаковой на всем ее протяжении, а ее толщина принимается наибольшей из условия равенства ее той толщине витка, которую он из условия зацепления должен иметь в конце винтовой части на стороне наибольшего шага, т.е. при наименьшем угле наклона винтовой линии. Нахождение винтовых частей роторов в зацеплении друг с другом означает выполнение указанного условия. Наибольшая толщина витков ограничивается конструктивно и не превышает 0,2 шага формирующих витков.
Вышесказанное полностью относится к зацеплению винтовых частей роторов с постоянным шагом, которое является частным случаем зацепления винтовых частей роторов с переменным шагом.
При геометрическом построении зацепления в случае постоянного шага профиля рассматриваются только в одном торцевом сечении. При переменном шаге необходимо рассматривать разные торцевые сечения, как это осуществлено на фиг. 4 /сечение A-A и B-B/.
Для сборки роторов с винтовыми частями роторов постоянного шага необходимо совместить винтовые их части по длине и ввести их в зацепление, обкатывая один ротор относительно другого с одновременным погружением одной винтовой части в другую, выбирая зазор. Для сборки роторов с винтовыми частями переменного шага помимо совмещения винтовых частей по длине необходимо найти их взаимное угловое положение, при котором витки винтовых частей совпадут по осевому шагу, после чего винтовые части роторов с переменным шагом вводятся в зацепление аналогичным образом.
1. Винтовой компрессор, содержащий корпус с расточками, роторы с винтовыми частями, образованные выступающими витками и винтовыми канавками, расположенными в расточках корпуса и находящимися в зацеплении, камеры всасывания и нагнетания, синхронизирующие шестерни, отличающийся тем, что резьба винтовой части ротора с выступающими витками выполнена однозаходной или двухзаходной и состоит из формирующих и сжимающих витков, число которых соответственно равно 2 и i, где об — геометрическая степень сжатия компрессора и доп — допустимая геометрическая степень сжатия в одной межвитковой полости, причем угол наклона формирующих витков непрерывно уменьшается, а угол наклона сжимающих витков непрерывно увеличивается по ходу резьбы в сторону нагнетания, а толщина витков по среднему диаметру постоянна и не превышает 0,2L, где L — величина шага первых двух витков резьбы, являющихся формирующими, при этом число роторов с выступающими витками на один ротор с винтовыми канавками равно от одного до четырех включительно, а сами роторы уравновешены и имеют по две отдельные друг от друга винтовые части, находящиеся в противофазе, на каждом роторе.
2. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что наружный диаметр винтовой части ротора с винтовыми канавками больше наружного диаметра винтовой части ротора с выступающими витками.
3. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что уравновешенные роторы выполнены сборными с полой винтовой частью, внутри которой выполнены винтовые канавки и/или выступающие витки.
4. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что уравновешенные роторы выполнены с двухзаходной резьбой или с винтовыми противовесами, размещенными вне их винтовых частей.