Классификация

Общепринятая классификация механических компрессоров по принципу действия. Под принципом действия понимают основную особенность процесса повышения давления, зависящую от конструкции компрессора.

Объёмные компрессоры

Это машины, в которых процесс сжатия происходит в рабочих камерах, изменяющих свой объём периодически, попеременно сообщающихся с входом и выходом компрессора. Объёмные машины по геометрической форме рабочих органов и способу изменения объёма рабочих камер можно разделить на поршневые, мембранные и роторные (винтовые, ротационно-пластинчатые, жидкостно-кольцевые, с катящимся ротором, газодувки Рутс (насос Рутса), спиральные) компрессоры.

Винтовой компрессор

Конструкция винтового компрессора запатентована в 1934 году. Надёжность в работе, малая металлоёмкость и габаритные размеры предопределили их широкое распространение. Кроме того, использование винтовых компрессоров позволяет экономить электроэнергию до 30 %. Винтовые компрессоры успешно конкурируют с другими типами объёмных компрессорных машин, практически полностью вытеснив их в передвижных компрессорных станциях, судовых холодильных установках.

Типовая конструкция компрессора сухого сжатия, работает без подачи масла в рабочую полость. Компрессор имеет два винтовых ротора. Ведущий ротор с выпуклой нарезкой соединён непосредственно или через зубчатую передачу с двигателем. На ведомом роторе нарезка с вогнутыми впадинами. Роторы расположены в разъёмном корпусе, имеющем один или несколько разъёмов. В корпусе выполнены расточки под винты, подшипники и уплотнения, а также камеры всасывания и нагнетания.

Высокие частоты вращения винтовых компрессоров определяют применение в них опорных и упорных подшипников скольжения.

Между подшипниковыми камерами и винтовой частью роторов, в которых сжимается газ, расположены узлы уплотнений, состоящие из набора  графитовых и баббитовых колец. В камеры между группами колец подаётся запирающий газ, препятствующий попаданию масла из подшипниковых узлов в сжимаемый газ, а также газа в подшипниковые камеры.

Касание винтов роторов при отсутствии смазки недопустимо, поэтому между ними оставляют минимальный зазор, обеспечивающий безопасную работу компрессора, а синхронная частота вращения ведущего и ведомого роторов обеспечивается наружными синхронизирующими шестернями. Винтовые поверхности роторов и стенок корпуса образуют рабочие камеры. При вращении роторов объём камер увеличивается, когда выступы роторов удаляются от впадин и происходит процесс всасывания. Когда объём камер достигает максимума, процесс всасывания заканчивается и камеры оказываются изолированными стенками корпуса и крышками от всасывающего и нагнетательного патрубков.

При дальнейшем вращении во впадину ведомого ротора начинает внедряться сопряженный выступ ведущего ротора. Внедрение начинается у переднего торца и постепенно распространяется к нагнетательному окну. С некоторого момента времени обе винтовые поверхности объединяются в общую полость, объем которой непрерывно уменьшается благодаря поступательному перемещению линии контакта сопряжённых элементов в направлении к нагнетательному окну. Дальнейшее вращение роторов приводит к вытеснению газа из полости в нагнетательный патрубок. Из-за того, что частота вращения роторов значительна и одновременно существует несколько камер, компрессор создаёт равномерный поток газа.

Отсутствие клапанов и неуравновешенных механических сил обеспечивают винтовым компрессорам высокие рабочие частоты вращения, то есть позволяют получать большую производительность при сравнительно небольших внешних габаритах.

Маслозаполненные компрессоры допускают меньшие скорости вращения, чем компрессоры «сухого сжатия». Масло в рабочую полость винтового компрессора подается с целью уменьшения перетечек через внутренние зазоры, смазки винтового зацепления роторов и охлаждения сжимаемого газа.

Есть несколько типов винтовых компрессоров: с прямым приводом и ременным.

Основное назначение воздушного компрессора – сжимать воздух и обеспечивать его непрерывную подачу к пневматическим устройствам. Под воздействием сжатого воздуха работают отбойные молотки, краскопульты, приводы разнообразных механизмов и пневмомашин. Без сжатого воздуха не обойтись, если нужно накачать автомобильную шину или мяч. Но прежде, нужно разобраться, какие бывают компрессоры и чем отличаются друг от друга.

Огромное разнообразие воздушных компрессоров во многом определяется областью применения и условиями эксплуатации.

Так, компрессор автомобильный 12 вольт используется для накачивания шин, резиновых лодок, мячей. Автомобильный компрессор, цена которого зависит от мощности, надежности и наличия дополнительных функций, успешно заменяет ножной или ручной насос. Есть автомобильный компрессор с витым шлангом и манометром. Это позволит установить его в багажнике стационарно и не доставать его каждый раз целиком.

Покрыть предмет равномерным слоем краски без разводов и пропусков поможет специальный компрессор воздушный для покраски. Он пригодится и на огороде для опрыскивания растений, и в доме для продувки пыли и мусора из труднодоступных мест. Для домашнего использования лучше подойдет воздушный компрессор небольших габаритов, он удобнее в хранении и при транспортировке.

Промышленный воздушный компрессор предназначен для длительной работы в сложных условиях: при добыче полезных ископаемых, взрывных и испытательных работах, в строительстве и на производстве. Купить воздушный компрессор промышленного назначения необходимо, если нужна надежная круглосуточная работа, низкое энергопотребление, пожаробезопасность и многофункциональность, а также не предъявляются особые требования к уровню шума и вибрации.

Стационарная или передвижная система для сжатия газа, в состав которой, кроме компрессора, входит дополнительное оборудование (охладители, насосы, фильтры, отводчики конденсата) получила название «компрессорная станция». Такие установки актуальны для производств металлургической, химической, нефтяной, машиностроительной промышленности. Компрессорные станции предназначены не только для сжатия воздуха. Они сжимают низкопотенциальные газы, утилизируют газ из концевых сепараторов, улавливают легкие фракции из резервуарных отсеков.

В зависимости от вырабатываемого давления компрессоры подразделяют на компрессоры низкого, среднего и высокого давления. Как правило, для домашнего применения достаточно использовать автомобильный компрессор низкого давления.

В зависимости от принципа действия и конструкции наибольшее распространение получили воздушные компрессоры поршневые, винтовые и мембранные.

Компрессоры воздушные поршневые нагнетают воздух посредством движения поршней внутри рабочих цилиндров. Они просты в эксплуатации и ремонте, широко распространены. Купить поршневой компрессор можно как для бытового, так и для полупрофессионального использования. Также существуют поршневые устройства промышленного исполнения, предназначенные для непрерывной работы.

Винтовой агрегат, или роторный компрессор, сжимает воздух за счет прокручивания вала. Такой компрессор отличается компактными размерами и высокой производительностью, а также низким уровнем шума и малыми амортизационными затратами. Роторный компрессор за счет особенностей конструкции способен работать длительное время без дефектов. Винтовой компрессор могут себе позволить лишь крупные заводы или фабрики. Ведь цена винтового компрессора значительно выше, чем у аналогичного по мощности поршневого.

Мембранные компрессоры необходимы в тех отраслях промышленности и науки, где предъявляются особые требования к чистоте сжимаемого газа.

Поршневые компрессоры

Термодинамический анализ процесса получения сжатого воздуха в поршневом компрессоре:

- сжатый в цилиндре газ полностью без остатка выталкивается поршнем;

- отсутствуют потери энергии в клапанах;

- отсутствуют утечки и перетечки газа через неплотности;

- отсутствуют силы трения поршня о цилиндр.

Поршневой К. в основном состоит из рабочего цилиндра и поршня; имеет всасывающий и нагнетательный клапаны, расположенные обычно в крышке цилиндра. Для сообщения поршню возвратно-поступательного движения в большинстве поршневых К. имеется кривошипно-шатунный механизм с коленчатым валом. Поршневые К. бывают одно- и многоцилиндровые, с вертикальным, горизонтальным, V- или W-oбразным и другим расположением цилиндров, одинарного и двойного действия (когда поршень работает обеими сторонами), а также одноступенчатого или многоступенчатого сжатия. Действие одноступенчатого воздушного поршневого К. заключается в следующем. При вращении коленчатого вала 1 соединённый с ним шатун 2 сообщает поршню 3 возвратные движения. При этом в рабочем цилиндре 4 из-за, увеличения объёма, заключённого между днищем поршня и крышкой цилиндра 5, возникает разрежение и атмосферный воздух, преодолев своим давлением сопротивление пружины, удерживающей всасывающий клапан 9, открывает его и через воздухозаборник (с фильтром) 8 поступает в рабочий цилиндр. При обратном ходе поршня воздух будет сжиматься, а затем, когда его давление станет больше давления в нагнетательном патрубке на величину, способную преодолеть сопротивление пружины, прижимающей к седлу нагнетательный клапан 7, воздух открывает последний и поступает в трубопровод 6. При сжатии газа в К. его температура значительно повышается. Для предотвращения самовозгорания смазки К. оборудуются водяным или воздушным охлаждением. При этом процесс сжатия воздуха будет приближаться к изотермическому (с постоянной температурой), который является теоретически наивыгоднейшим. Одноступенчатый К., исходя из условий безопасности и экономичности

его работы, целесообразно применять со степенью повышения давления при сжатии до (бета) β = 7—8. При больших сжатиях применяются многоступенчатые К., в которых, чередуя сжатие с промежуточным охлаждением, можно получать газ очень высоких давлений — выше 10 Мн/м². В поршневых К. обычно предусматривается автоматическое регулирование производительности в зависимости от расхода сжатого газа для обеспечения постоянного давления в нагнетательном трубопроводе. Существует несколько способов регулирования. Простейший из них — регулирование изменением частоты вращения вала.

Компрессоры поршневые

Применяются: для запуска дизель-электрических агрегатов; для обеспечения промышленных объектов сжатым воздухом; в составе нефтебуровых установок. Установка состоит из трехступенчатого компрессора, приводимого в действие электродвигателем через клиноременную передачу. Смазка циркуляционная под давлением от шестеренчатого насоса. Охлаждение жидкостное, по замкнутому контуру. Система автоматического управления и защиты установки обеспечивает: пуск при понижении давления в системе до 80 кгсила /см2; остановку при достижении давления в системе 150 кгс/см2; аварийную остановку при: - превышении температуры воздуха; - повышении давления воздуха в системе до 170 кгс/см2; - понижении давления воздуха в системе до 60 кгс/см2; - падение давления масла ниже допустимой величины.

ПК могут быть одностороннего или двухстороннего действия, крейцкопфные и бескрейцкопфные, смазываемые и без применения смазки (сухого трения или сухого сжатия), (при высоких давлениях сжатия применяются также плунжерные).

Крейцкопф (нем.Kreuzkopf), ползун— деталь кривошипно-ползунного механизма, совершающая возвратно-поступательное движение по неподвижным направляющим.

Назначение

Крейцкопф предназначен для соединения поршня и шатуна в крейцкопфном кривошипно-шатунном механизме. При таком сочленении поршень жёстко связан с крейцкопфом с помощью штокa. Такое сочленение позволяет разгрузить поршень от нормальной силы, так как её действие в таком случае переносится на крейцкопф. Такая схема соединения позволяет создать вторую рабочую полость в цилиндре под поршнем. При этом шток проходит через уплотнение (сальник) в нижней крышке цилиндра, который обеспечивает необходимую герметичность.

Поршневые компрессоры используются в химической промышленности, холодильных установках, питании пневматических систем гаражное хозяйство, и др.

Ротационные К.

имеют один или несколько роторов, которые бывают различных конструкций. Значительное распространение получили ротационные пластинчатые К., имеющие ротор 2 с пазами, в которые свободно входят пластины 3. Ротор расположен в цилиндре корпуса 4 эксцентрично. При его вращении по часовой стрелке пространства, ограниченные пластинами, а также поверхностями ротора и цилиндра корпуса, в левой части К. будут возрастать, что обеспечит всасывание газа через отверстие для всасывания воздуха. В правой части К. объёмы этих пространств уменьшаются, находящийся в них газ сжимается и затем подаётся из К. в холодильник 5 или непосредственно в нагнетательный трубопровод. Корпус ротационного К. охлаждается водой, для подвода и отвода которой предусмотрены трубы 6 и 7. Степень повышения давления в одной ступени пластинчатого ротационного К. обычно бывает от 3 до 6. Двухступенчатые пластинчатые ротационного К. с промежуточным охлаждением газа обеспечивают давление до 1,5 Мн/м².

Принципы действия ротационного и поршневого К. в основном аналогичны и отличаются лишь тем, что в поршневом все процессы происходят в одном и том же месте (рабочем цилиндре), но в разное время (из-за чего и потребовалось предусмотреть клапаны), а в ротационном К. всасывание и нагнетание осуществляются одновременно, но в различных местах, разделенных пластинами ротора. Известны другие конструкции ротационного К., в том числе винтовые, с двумя роторами в виде винтов. Для удаления воздуха с целью создания разрежения в каком-либо пространстве применяют роторные водокольцевые вакуум-насосы. Регулирование производительности ротационного К. осуществляется обычно изменением частоты вращения их ротора.

Ротационные компрессоры используются в химической промышленности, дутье в некоторых металлургических печах и др.

Центробежный К.

в основном состоит из корпуса и ротора, имеющего вал 1 с симметрично расположенными рабочими колёсами. Центробежный 6-ступенчатый К. разделён на три секции и оборудован двумя промежуточными холодильниками, из которых газ поступает в каналы 12 и 13. Во время работы центробежного К. частицам газа, находящимся между лопатками рабочего колеса, сообщается вращательное движение, благодаря чему на них действуют центробежные силы. Под действием этих сил газ перемещается от оси К. к периферии рабочего колеса, претерпевает сжатие и приобретает скорость. Сжатие продолжается в кольцевом диффузоре из-за снижения скорости газа, то есть преобразования кинетической энергии в потенциальную. После этого газ по обратному направляющему каналу поступает в другую ступень К. и т.д.

  Получение больших степеней повышения давления газа в одной ступени (более 25—30, а у промышленных К. — 8—12) ограничено главным образом пределом прочности рабочих колёс, допускающих окружные скорости до 280—500 м/сек. Важной особенностью центробежных К. (а также осевых) является зависимость давления сжатого газа, потребляемой мощности, а также кпд от его производительности. Характер этой зависимости для каждой марки К. отражается на графиках, называемых рабочими характеристиками.

  Регулирование работы центробежных К. осуществляется различными способами, в том числе изменением частоты вращения ротора, дросселированием газа на стороне всасывания и др.

Центробежные компрессоры используются в центральных компрессорных станциях в металлургической, машиностроительной, горнорудной, нефтеперерабатывающей промышленности.

Осевой К.

Осевой компрессор имеет ротор, состоящий обычно из нескольких рядов рабочих лопаток. На внутренней стенке корпуса 2 располагаются ряды направляющих лопаток 5. Всасывание газа происходит через канал 3, а нагнетание через канал 1. Одну ступень осевого К. составляет ряд рабочих и ряд направляющих лопаток. При работе осевого К. вращающиеся рабочие лопатки оказывают на находящиеся между ними частицы газа силовое воздействие, заставляя их сжиматься, а также перемещаться параллельно оси К. (откуда его название) и вращаться. Решётка из неподвижных направляющих лопаток обеспечивает главным образом изменение направления скорости частиц газа, необходимое для эффективного действия следующей ступени. В некоторых конструкциях осевых К. между направляющими лопатками происходит и дополнительное повышение давления за счёт уменьшения скорости газа. Степень повышения давления для одной ступени осевого К. обычно равна 1,2—1,3, т. е. значительно ниже, чем у центробежных К., но кпд у них достигнут самый высокий из всех разновидностей К.

         Зависимость давления, потребляемой мощности и кпд от производительности для нескольких постоянных частот вращения ротора при одинаковой температуре всасываемого газа представляют в виде рабочих характеристик. Регулирование осевых К. осуществляется так же, как и центробежных. Осевые К. применяют в составе газотурбинных установок.

Техническое совершенство осевых, а также ротационных, центробежных и поршневых К. оценивают по их механическому кпд и некоторым относительным параметрам, показывающим, в какой мере действительный процесс сжатия газа приближается к теоретически наивыгоднейшему в данных условиях.

У осевых компрессоров самый высокий КПД из всех разновидностей компрессоров. Осевые компрессоры применяют в составе газотурбинных установок, авиационных реактивных двигателей, на сталелитейных и сталелитейные заводах, наддув поршневых двигателей, газотурбинных установок, авиационных реактивных двигателей и др.