Тема 4. Поршневые компрессоры.

Лекция 1. Классификация, типы и конструкции. Технико-экономическая характеристика поршневых компрессоров.

Холодильные поршневые компрессоры классифицируют по нескольким признакам.

По холодопроизводительности при стандартных условиях

(t₀= -15⁰С, t_к=30 ⁰С)

• крупные Q₀ > 120 кВт,

• средние Q₀ 120÷12 кВт,

• малые Q₀ < 12 кВт.

По конструктивным признакам различают

• крейцкопфные и бескрейцкопфные,

• прямоточные и непрямоточные,

• блок-картерные и блок-цилиндровые,

• компрессоры с внешним и встроенным приводом,

• с различными схемами расположения цилиндров,

• с принудительной системой смазывания,

• смазывание разбрызгиванием и комбинированным видом смазки,

• многоступенчатые поршневые компрессоры,

• компрессоры с регулированием производительности.

У крейцкопфных компрессоров поршень жестко связан со штоком, который соединяется с ползуном-крейцкопфом. Эти компрессоры обычно выполняют двойного действия, а шток уплотняют сальником специальной конструкции.

Рис. 11. Бескрейцкопфный непрямоточный сальниковый компрессор 2П-110 холодопроизводительностью 131 кВт, работающий на R117 и R22 (D =115 мм;S = 87 мм; z = 4; n = 24 с-¹):

1 — шестеренчатый затопленный масляный насос; 2 — коленчатый вал с противовесами; 3 — ложная крышка; 4 — всасывающий клапан;

5 — нагнетательный клапан; 6 — торцовое уплотнение (сальник) вала; 7 — заборный масляный фильтр; 8 — блок-картер; 9 — гильза цилиндра; 10 — поршень с кольцами; 11 — шатун.

У бескрейцкопфных компрессоров рис. 11, или тронковых, поршни соединены с шатунами с помощью поршневых пальцев. Роль крейцкопфа в этом случае играет сам поршень, передавая нормальное усилие на стенку цилиндра.

В прямоточных компрессорах всасывающий клапан располагается на поршне и движется вместе с ним. Рабочее вещество, через отверстия в гильзе цилиндра и через специально созданную в теле поршня полость, поступает ко всасывающему клапану.

Преимущества прямоточных компрессоров:

1. Малый подогрев рабочего вещества;

2. Большое сечение щелей каналов, что приводит к снижению гидравлических потерь в клапане;

3. Облегчено создание крышки цилиндра, что позволяет избежать аварии при гидроударе.

Недостатки прямоточных компрессоров:

1. Большая масса поршневой группы увеличивает силы инерции, ограничивает частоту вращения;

2. Повышенная мощность трения из-за длины поршня;

3. Недоступность всасывающего клапана для регулирования;

4. Наличие отверстий в гильзе цилиндра снижает ее прочность;

5. Расположение поршневого пальца выше маслосъемных колец, что ухудшает его смазывание и увеличивает унос масла.

Отмеченные недостатки приводят к сокращению области их использования. В настоящее время почти все холодильные компрессоры выполняются непрямоточными.

Переход к непрямоточным компрессорам позволил создать более совершенные конструкции.

Достоинства непрямоточных компрессоров:

1. Меньшие размеры и масса;

2. Повышенная частота вращения;

3. Меньшая мощность трения и износ;

4. Улучшенное смазывание поршневого пальца, из-за установки маслосъемного кольца выше пальца, уменьшение износа поршня и гильзы, меньший унос масла.

Блок-картерные компрессоры, у которых блок цилиндров и картер выполнены в виде одной отливки.

Блок-цилиндровые компрессоры, у которых картер и блоки цилиндров отдельные части, соединенные с помощью шпилек.

Компрессоры с внешним приводом имеют на хвостовике коленчатого вала торцевое уплотнение или сальник, препятствующий попаданию рабочего вещества в атмосферу. Такие компрессоры называют сальниковыми.

Преимущества сальниковых компрессоров:

1. Охлаждение электродвигателя воздухом;

2. Доступность электродвигателя для ремонта и обслуживания;

3. Отсутствие необходимости в специальных материалах, обеспечивающих работу обмоток в среде рабочего вещества.

Недостатки сальниковых компрессоров:

1. Наличие сальника, обладающего часто недостаточной надежностью и долговечностью.

Компрессоры с встроенным двигателем (иначе бессальниковые или герметичные). Ротор электродвигателя расположен непосредственно на хвостовике коленчатого вала, а статор в специальном приливе блок-картера компрессора.

Преимущества бессальниковых компрессоров:

1. Высокая надежность из-за отсутствия сальника;

2. Малая масса и размеры электродвигателя, номинальную мощность которого из-за эффективного охлаждения можно повысить в 2 – 3 раза.

Герметичными называются компрессоры со встроенным приводом, заключенным в сварной неразборный корпус.

Недостатки встроенных приводов:

1. Подогрев рабочего вещества снижает объемную производительность;

2. Невозможность применения в качестве рабочих веществ тех веществ, которые разрушают обмотки электродвигателя;

3. Повышенные требования к пусковому моменту

4. Необходимость применения специального масляного насоса реверсивного типа.

Компрессоры с различными схемами расположения цилиндров: горизонтальные, вертикальные, V, W, VV-образные, оппозиционные, звездообразные.

У оппозиционных компрессоров оси цилиндров развернуты на 180⁰.

У V, W, VV-образных – развернуты на 90⁰, 60⁰ и 45⁰ соответственно.

а). б).

в). г).

д). е).

ж). з).

Рис. 12.Компановочные схемы поршневых компрессоров:

а) - крейцкопфного КМ; б) – вертикальное расположение цилиндров; в) - бескрейцкопфного КМ; г) – V – образное расположение цилиндров; д) – W - образное расположение цилиндров; е) - VV – образное расположение цилиндров; ж) - горизонтальное расположение цилиндров; з) – крестообразное расположение цилиндров.

Подавляющее количество компрессоров имеют принудительную систему смазывания с помощью шестеренчатого, плунжерного, шнекового или центробежного масляного насоса.

Многоступенчатые поршневые компрессоры могут быть двух- и трехступенчатыми, блок-картерными или крейцкопфными горизонтальными. У четырех цилиндрового компрессора, три цилиндра работают как первая ступень, а один как вторая.

Компрессоры с регулированием производительности имеют специальное устройство: механизмы принудительного открытия всасывающих клапанов, байпасирование, дополнительные мертвые объемы.

По функциональным признакам делятся на:

• стационарные;

• транспортные;

• высокотемпературные;

• среднетемпературные;

• низкотемпературные.

Лекция 2. Конструктивные элементы, органы газораспределения, смазка поршневых компрессоров.

Шатунно-поршневая группа включает:

• шатун в сборе;

• поршень;

• палец;

• стопорные кольца;

• поршневые кольца;

• всасывающий клапан (у прямоточных компрессоров).

Поршень прямоточного компрессора отливают из чугуна или алюминия с особенностями устройства.

Поршень непрямоточного – из алюминия. Соединение с шатуном аналогично.

Поршень крейцкопфного компрессора дисковый, в нижней части имеет баббитовую подушку для того, чтобы боковые усилия передавались на гильзу с минимальным трением и износом.

Количество поршневых колец, от 2 до 4, зависит от частоты вращения вала.

Для уменьшения уноса масла из компрессора устанавливают маслосъемные кольца рис. 13.

Рис.13. Маслосъемные кольца

Поршневые кольца могут быть металлическими и пластмассовыми.

Поршневые пальцы ответственные детали, должны быть жесткими, прочными, с твердой наружной поверхностью. Их изготавливают, из легированной стали с закалкой токами высокой частоты до получения твердости 52 – 56 HRC при толщине слоя 0,4 – 0,6 мм.

Шатуны штампуют из конструктивных углеродистых сталей. В верхнюю головку запрессовывают бронзовую втулку. Нижняя головка может быть с косым или прямым разъемом. Вкладыши из баббита, стальной ленты, бронзы, биметаллические.

В крупных и средних непрямоточных компрессорах применяют кольцевые всасывающие и нагнетательные клапаны.

В прямоточных компрессорах обычно применяют полосовые клапаны с самопружинящими пластинами. В компрессорах малой производительности могут применяться лепестковые или пятачковые всасывающие и нагнетательные клапана.

В компрессорах со смешанной или принудительной смазкой в картере установлен масляный насос, а так же масляные фильтры тонкой и грубой очистки.

Торцевое уплотнение (сальник) одностороннего и двухстороннего типа с подачей масла для охлаждения уплотнения зазоров, смазывания и для уноса продуктов изнашивания.

Газодинамический расчет дает площади проходных сечений в газовых трактах и щелях клапанов.

Динамический расчет компрессора, в процессе которого для нескольких расчетных режимов определяют силы и моменты сил, приложенные к элементам механизма движения: поршню, шатуну, коленчатому валу и к другим деталям. По фактическим, взятым из чертежа, деталям первого варианта компоновки находят неуравновешенные массы и определяют массы противовесов. Из анализа кривой суммарного крутящего момента определяют избыточные работы и моменты инерции маховика, обеспечивающего заданную неравномерность вращения коленчатого вала. Выполняют подбор и расчет подшипников.

Надежность и долговечность деталей шатунно-поршневой группы зависят от средней скорости поршня:

(46)

у бескрейцкопфных компрессоров c_m=2÷5 м/с,

у крейцкопфных компрессоров c_m=3÷4,5 м/с.

Важным безразмерным геометрическим параметром является:

(47)

у бескрейцкопфных компрессоров ψ=0,8÷0,9,

у крейцкопфных компрессоров ψ=0,6÷0,8,

у поджимающих компрессоров ψ=0,5÷0,7.

Увеличение диаметра цилиндра позволяет расположить в крышке клапаны с большими проходными сечениями и снизить гидравлические сопротивления в них, однако одновременно увеличивается относительное мертвое пространство, приводящее к уменьшению коэффициента подачи.

Силы инерции поступательно движущихся масс, определяют нагрузки на механизм движения и неуравновешенные силы и моменты передаваемые на раму или фундамент.

Максимальная сила инерции:

(48)