Конструкция поршневых компрессоров.

1. Конструктивное исполнение поршневых компрессоров.

2. Узлы и детали поршневых компрессоров.

Различают следующие типы компрессоров: крейцкопфные и бескрейцкопфные; простого и двойного действия; прямоточные и непрямоточные: блок-картерные и блок-цилиндровые; с внешним и встроенным приводом; с горизонтальным, вертикальным, угловым и оппозитным расположением цилиндров; с водяным и воздушным охлаждением; с принудительной и свободной системами смазывания.

В крейцкопфных конструкциях движение от шатуна к поршню передается через крейцкопф и шток, а в бескрейцкопфных — непо­средственно от шатуна к поршню, который в этом случае имеет раз­витую по высоте цилиндра поверхность и выполняет роль крейц­копфа.

В прямоточных компрессорах пар в течение всего рабочего процесса движется в одном направлении, а всасывающий клапан крепится к поршню и движется вместе с ним. В непрямоточных конструкциях всасывающие и нагнетательные клапаны неподвижны, а пар при всасывании и нагнетании меняет направление движения.

В компрессорах простого действия сжатие пара осуществляется одной стороной поршня, а в компрессорах двойного действия обеими сторонами поршня соответственно в двух рабочих полостях цилиндра.

Блок-картерные конструкции имеют цилиндры и картер в общей отливке. Блок-цилиндровые конструкции применяются в настоящее время сравнительно редко; здесь картер и блок цилиндров — от­дельные детали, крепящиеся друг к другу болтами.

Компрессоры с внешним приводом или сальниковые соединяются с двигателем через муфту или ременную передачу. Бессальниковые компрессоры имеют встроенный в картер электродвигатель. Съемные крышки обеспечивают здесь доступ к клапанам и к механизму дви­жения. В герметичных конструкциях негерметичный корпус ком­прессора вместе с электродвигателем помещены в герметичный разъ­емный или неразъемный кожух.

В вертикальных компрессорах оси цилиндров расположены вертикально, а их число — один или два. Угловые компрессоры выполняют с V-, W- или V V-образным расположением ци­линдров.

В компрессорах, имеющих свободную (безнасосную) систему смазывания, масло подается к трущимся поверхностям за счет раз­брызгивания. В принудительных системах смазывания масло по­дается под давлением, создаваемым насосом.

По функциональным признакам, а также по конструктивным особенностям компрессоры можно разделить на следующие группы: стационарные и транспортные; высоко-, средне- и низкотемпературные; одно-, двух- и многоступенчатые; с устрой­ством для регулирования производительности и без него.

В отдельную группу холодильных компрессоров следует выделить компрессоры, работающие без смазочного масла в цилиндре. Они обладают существенным преимуществом, так как не загрязняют теплообменные аппараты маслом и тем самым значительно повышают эффективность их работы.

В настоящее время получили распространение крейцкопфные компрессоры, в которых цилиндры не смазываются, а механизм движения имеет обычное циркуляционное смазывание.

Дальнейшее совершенствование компрессора направлено на уменьшение мощности трения, увеличение частоты вращения вала до 25 с^-1 и выше. Бескрейцкопфные компрессоры. Бескрейцкопфные компрессоры, получившие наибольшее распространение в настоящее время, отличаются большим разнообразием конструкций, простотой устройства, надежностью и компактностью. Эти машины, как правило, простого действия: полость цилиндра, обращенная к картеру, у них нерабочая. Этот недостаток компенсируется более высокой частотой вращения вала, меньшей металлоемкостью, возможностью применения более прогрессивной технологии изготовления. Существенным недостатком бескрейцкопфных компрессоров является значительный унос масла из картера в тёплообменные аппараты, что снижает интенсивность теплопередачи в аппаратах и увеличивает их размеры и стоимость.

Бескрейцкопфные компрессоры выполняются с воздушным или водяным охлаждением цилиндров в зависимости от величины холодопроизводительности, от типа применяемого холодильного агента и температурного интервала рабочих, режимов. При водяном охла­ждении верхняя часть цилиндров, а иногда и крышки, имеет водя­ную рубашку, выполненную в блок-картере или блок-цилиндре.

Бескрейцкопфные компрессоры выпускаются как прямоточными, так и непрямоточными. В прямоточном компрессоре всасывающий клапан размещается в днище поршня и двигается вместе с ним. В такой конструкции площадь, занимаемая клапаном, как правило, больше, чем в непря­моточном компрессоре, а следовательно, больше и проходные сече­ния. Это обеспечивает меньшие скорости пара и меньшие энергети­ческие потери из-за газодинамических сопротивлений. В прямоточ­ном компрессоре с водяным охлаждением водяная рубашка разде­ляет всасывающую и нагнетательную полости. Это ослабляет тепло­обмен между всасываемым и нагнетаемым паром и увеличивает коэффициент подогрева.

Существенными недостатками прямоточного компрессора яв­ляются сравнительно большая масса поршня и невозможность регу­лирования производительности компрессора принудительным от­крытием всасывающего клапана. Увеличение массы поршня из-за установки на нем всасывающего клапана приводит к увеличению сил инерции поступательно движущихся масс, вызывает дополни­тельные напряжения в деталях кривошипно-шатунного механизма и ограничивает возможность повышения частоты вращения колен­чатого вала.

Современные бескрейцкопфные компрессоры имеют двухопорные коленчатые валы с двумя коленьями, расположенными под углом 180°. Коренными опорами вала служат подшипники качения, ша­тунные подшипники выполнены в виде тонкостенных вкладышей с баббитовой заливкой.

Картер компрессоров заполнен парами холодильного агента, поэтому выходной конец вала должен быть надежно уплотнен как во время работы, так и во время стоянки. Это достигается установкой сальника с масляным затвором.

На рисунке 5 показан разрез крупного прямоточного четырехцилиндрового компрессора АУ200. Его производительность 233 кВт (при t_о = -15°С и t_к = 30°С) при работе на R22 с частотой враще­ния вала 24 с^-1. Компрессор V-образный с углом развала между осями цилиндров 90°. В верхней части цилиндров в отливке блок-картера расположена водяная полость. Смазывание сальника и шатунных подшипников — принудитель­ное, от шестеренного масляного насоса, а цилиндров, поршневых пальцев и коренных подшипников — разбрызгиванием. Масло под­водится к сальнику, откуда по сверлениям в коленчатом валу по­дается к шатунным подшипникам. Для облегчения пуска компрес­сора отжимают комбинированный перепускной и предохранитель­ный клапаны.

Рисунок 5. Разрез бескрейцкопфного прямоточного компрессора АУ200:

1 — блок-картер; 2 — сальник; 3 — пластинчатый фильтр; 4 — сетчатый фильтр; 5 — масляный насос; 6 — коленчатый вал; 7 — шатун; 8 — всасывающая полость; 9 — нагнетательная полость; 10 — нагнетательный клапан; 11 — всасывающий кла­пан; 12 — поршень; 13 — гильза цилиндра

Бессальниковые компрессоры. Бессальниковые компрессоры имеют встроенный электродвигатель и блок-картерную бескрейцкопфную конструкцию. Бессальниковые компрессоры предназначены для ра­боты на холодильных агентах, не разрушающих медную обмотку статора электродвигателя. В этих машинах применяют, как правило, коленчатый вал и, в ред­ких случаях, для самых мелких моделей — эксцентриковый. В качестве коренных опор используются подшипники как качения, так и скольжения.

В бессальниковых конструкциях всасываемый пар проходит через зазор между статором и ротором и охлаждает таким образом электро­двигатель. Охлаждение электродвигателя всасываемым паром позво­ляет в 1,5—1,8 раза превышать его номинальную мощность, поэтому бессальниковые компрессоры имеют встроенные электродвигатели значительно меньших размеров и массы, чем открытые, однако к этим двигателям предъявляются повышенные требования в отношении пускового момента и способности изоляции обмотки длительное время выдерживать повышенную температуру (до 125°С), что имеет место при работе компрессора в режимах с малой производительностью.

Другой важной особенностью бессальниковых компрессоров яв­ляется то, что шестеренные масляные насосы в них должны быть реверсивными, т. е. обеспечивать смазывание механизмов незави­симо от направления вращения коленчатого вала машины.

Рисунок 6. Бессальниковый компрессор малой производительности ФБС6.

На рисунке 6 показан вертикальный бессальниковый компрессор малой производительности ФБС6. Цилиндровый блок, картер и кор­пус электродвигателя выполнены в одной отливке. Доступ к механизму движения осуществляется через боковую крышку картера, в торце корпуса электродвигателя имеется крышка для монтажа вала и двигателя. На конце вала находится диск, захватывающий масло, которое по каналу вала под действием центробежной силы поступает к шатунным подшипникам. Всасываемый пар проходит по каналу между ротором и статором во всасывающую полость блока цилиндров и оттуда — во всасывающую полость крышки цилиндров. Клапанная группа установлена на общей чугунной клапанной плите. Всасывающие клапаны — упругие, полосовые; нагнетательные — дисковые, нагруженные цилиндрической пружиной.

Герметичные компрессоры. В герметичных компрессорах отсут­ствуют съемные крышки, здесь механизм вместе с электродвигателем помещен в герметичный сварной стальной кожух. Компрессоры должны отличаться надежностью, долговечностью, малым уровнем шума.

Рисунок 7. Герметичный компрессор ФГ 0,7.

Рассмотрим конструкцию герметичного компрессора на примере двухцилиндрового непрямоточного агрегата ФГ0,7 (рисунок 7). Ком­прессор имеет вертикальный эксцентриковый вал и два горизонтальных цилиндра, расположенных под углом 90°. Корпус компрессора 1 отлит вместе с цилиндрами из серого перлито-ферритного чугуна и укреплен в нижней половине кожуха на трех пружинных подве­сках 3. Бронзовые шатуны 4 с неразъемными головками надеты на шатунную шейку эксцентрикового вала 5. Съемные противовесы 6 крепятся к валу винтами. Стальные поршни 7 вместо уплотнительных колец имеют уплотнительные канавки.

Всасывающие и нагнетательные клапаны — пластинчатые, уста­новлены на общей клапанной плите 9.

В верхнюю часть корпуса запрессован пакет статора электро­двигателя 13. Ротор 12 посажен на верхний хвостовик эксцентрико­вого вала. Двигатель охлаждается всасываемыми парами. Для усиления циркуляции пара ротор снабжен крыльчаткой 11. Во всасывающую полость головки цилиндров пар поступает по всасывающей трубке 10. Сжатый пар выходит через глушитель 8, расположенный в корпусе компрессора между цилиндрами, нагнетательный трубо­провод и выходной штуцер 2.

Узлы и детали компрессоров. Шатунно-поршневая группа. К шатунно-поршневой группе относятся поршень, шатун в сборе, поршне­вой палец, поршневые кольца, всасывающий клапан в прямоточных компрессорах.

В бескрейцкопфных компрессорах применяются поршни тронкового типа, которые характеризуются развитой боковой поверхностью, необходимой для восприятия нормального к поверхности цилиндра давления, достигающего 15—20 % от значения свободных усилий на поршень.

Поршни прямоточных компрессоров (рисунок 8а) делятся пере­городкой на две части: крейцкопфную, в которой расположен поршне­вой палец и которая воспринимает большую часть боковых усилий, и проточную, через которую всасываемый пар поступает к всасыва­ющему клапану, расположенному в верхнем торце поршня.

Наружная поверхность прямоточного поршня состоит из трех поясов: верхнего, где расположены уплотняющие поршневые кольца; нижнего — с маслосъемными кольцами и среднего, в котором имеются окна для прохода пара. Высота поршня определяется числом поршне­вых колец и высотой окна в нем для прохода пара. В отечественных конструкциях принято применять два-три уплотнительных кольца в верхней части поршня и одно маслосъемное — в нижней. Ход поршня, высота окна, расположение поршневых колец, а также размеры отверстий в гильзе цилиндра должны быть взаимно согласо­ваны, при этом высота окна в поршне должна быть примерно равна сумме хода поршня и высоты отверстий в стенке цилиндра. Непра­вильное взаимное расположение нижнего уплотнительного и маслосъемного колец по отношению к отверстиям может быть одной из причин усиленного уноса масла в нагнетательную линию и даже поломки поршневых колец.

Поршни непрямоточных компрессоров, по сравнению с описан­ными, имеют при одинаковом диаметре с ними меньшую высоту и массу. В верхней их части располагаются один - три уплотнительных кольца и под ними — маслосъемное (рисунок 8б) Расположение маслосъемного кольца выше поршневого пальца улучшает условия смазывания поверхности поршня. Уплотнительные поршневые кольца предназначены для уплотнения зазора между поршнем и цилиндром, уменьшения утечки пара в процессе сжатия. Уплотнение обеспечивают: 1) собственная упругость колец или плоской пружины - эспандера, применяемого в случае изготовления колец из неметаллических материалов; 2) дав­ление пара в зазоре между кольцом и дном канавки поршня, прижи­мающее кольцо к стенке цилиндра; 3) лабиринтное действие несколь­ких колец. С возрастанием частоты вращения число уплотнительных колец уменьшается, так как уменьшается относительная величина утечек.

Рисунок 8. Шатунно-поршневая группа: а – прямоточного компрессора; б – непрямоточного компрессора.

Основная утечка пара происходит через зазор в замке кольца. Величина зазора зависит от материала кольца и его максимальной рабочей температуры. Для чугунных колец аммиачных компрессоров рекомендуется зазор 0,005 диаметра цилиндра; для хладоновых машин — 0,003 диаметра цилинд­ра. Применение для колец неме­таллических материалов, напри­мер фторопласта с наполнителями, уменьшает трение и износ цилинд­ра и поршневых канавок.

Маслосъемные кольца предна­значены для уменьшения уноса масла из цилиндра в нагнетатель­ную полость и далее в систему.

Рисунок 9. Маслосъемные кольца: а – конические; б – с проточенной кольцевой канавкой.

Наиболее распространенными яв­ляются два типа маслосъемных колец: конические (а) и с проточенной кольцевой канавкой (б) (рисунок 9). Действие конического кольца основано на том, что при ходе поршня вверх масло попадает в клиновидный зазор, сжимает кольцо и остается на стенке цилиндра. При ходе поршня вниз масло снимается кольцом и собирается в кольцевой проточке, откуда по отверстиям в стенке поршня стекает в картер. На внешней поверх­ности кольца второго типа сделана кольцевая канавка, в которую выходит ряд отверстий или узких щелей, выполненных в стенке поршня. Это кольцо обеспечивает стекание масла в картер как при ходе поршня вниз, так и при ходе вверх.

Шатуны бескрейцкопфных компрессоров выполняются с прямым или косым разъемом. По условиям сборки большей части компрес­соров шатун должен проходить через цилиндр, что ограничивает поперечный размер нижней головки шатуна. Диаметр шатунной шейки коленчатого вала в этих случаях не должен превышать 0,55— 0,68 диаметра цилиндра.

В многоцилиндровых блок-картерных компрессорах по условиям жесткости коленчатого вала диаметр шатунной шейки доходит до 0,75—0,8 диаметра цилиндра. В этих случаях шатуны выполняют с косым разъемом, что уменьшает поперечный размер, нижней головки.

Клапаны. Клапаны в значительной степени определяют надеж­ность и экономичность работы компрессора, поэтому к ним предъяв­ляется ряд разнообразных требований: достаточные площади проходных сечений; минимальные мертвые объемы в элементах клапа­нов; максимальная прямолинейность каналов для прохода пара; небольшие перемещения при работе и малая масса запорных органов (пластин, дисков и др.); плотность закрытия; технологичность изготовления и др. Из этого видно, что требования часто носят про­тиворечивый характер. Например, по условиям малых депрессий пружинящие элементы должны иметь небольшую упругость, в то время как своевременная посадка пластины на седло обеспечивается повышенной упругостью; малое сопротивление требует увеличенных проходных сечений, что противоречит требованию уменьшения мерт­вого пространства и поверхностей каналов, соприкасающихся с паром.

Рисунок 10. Кольцевые клапаны непрямоточного компрессора: а - простые; б - с устройством для регулирования производительности;

1- пружина всасывающего клапана; 2 - седло всасывающего клапана; 3 - пла­стина всасывающего клапана; 4 - розетка всасывающего клапана; 5, 7, 8 - пласти­ны, седло и розетка нагнетательного клапана; 6 - буферная пружина; 9 - пружина нагнетательного клапана; 10 - катушка электромагнита.

В крупных и средних бескрейцкопфных непрямоточных ком­прессорах наибольшее распространение получили кольцевые кла­паны (рисунок 10). В этих клапанах пластины имеют кольцевую форму, их толщина составляет 0,8—1,5 мм. Пластины поднимаются с седла и садятся на него под действием разности давлений с обеих сторон пластины. Своевременной посадке пластины на седло способствуют также цилиндрические пружины, равномерно размещенные по пе­риметру пластины. Для обеспечения минимального усилия откры­тия и своевременного закрытия клапана иногда применяются пру­жины переменной жесткости.

В прямоточных компрессорах во всасывающих клапанах обычно применяют беспружинные кольцевые или самопружинящие ленточ­ные полосовые клапаны (рисунок 11). В отличие от кольцевых поло­совые клапаны имеют меньшую массу запорных органов. Пластина, свободно лежащая на седле, при подъеме прижимается к ограничителю, форма которого соответствует линии прогиба равномерно нагруженной балки на двух опорах.

Для малых хладоновых компрессоров обычной является конструк­ция, при которой всасывающие и нагнетательные клапаны располо­жены на одной плите, закрывающей двухцилиндровый блок (рисунок 6). Основное преимущество такой конструкции — удобство монтажа и ремонта; существенным недостатком является повышенный подогрев всасываемого пара, что ухудшает объемные и энергетиче­ские коэффициенты компрессора. Высоту, подъема пластины выбирают в зависимости от частоты вращения вала.

Рисунок 11. Ленточный полосовой клапан прямоточного компрессора.

Необходимым условием эффективной работы клапанов является их динамическая плотность, т. е. отсутствие перетечек через щели в закрытом клапане работающего компрессора. К нагнетательным клапанам компрессоров, работаю­щим в составе автоматизирован­ных холодильных машин предъявляется также требование статической плотности. Клапан, имеющий статическую плотность, препятствует повышению давления в картере и на всасывающей стороне компрессора во время его стоянки.

Сальниковые уплотнения. Саль­никовые уплотнения предназна­чены для уплотнения приводного конца коленчатого вала в месте выхода его из картера или штока в месте выхода его из цилиндра с целью надежной и полной герметизации рабочих полостей ком­прессора, как в процессе его работы, так и во время стоянки.

Штоки крейцкопфных компрессоров уплотняют многокамерными сальниками с жесткой набивкой, состоящей из чугунных или алю­миниевых разрезных колец: Число камер в сальнике аммиачного компрессора составляет три-четыре штуки при диаметре штока 50 – 150мм.

Выходные концы валов бескрейцкопфных компрессоров уплот­няются сальниками с металлографитовыми стальными закаленными кольцами и сильфонными сальниками.

Преобладающим типом являются односторонние (рисунок 12а) и двухсторонние (рисунок 12б) пружинные сальники. В этих саль­никах уплотнение в радиальном направлении обеспечивается плотным прилеганием торцевых поверхностей трущейся пары — металлографитового неподвижного кольца и вращающегося вместе с валом кольца (или двух колец), изготовленного из цементированной зака­ленной углеродистой или легированной стали. Подвижное кольцо уплотняют резиновым или фторопластовым кольцами, стойкими к воздействию хладонов, аммиака и смазочных масел.

а

б

Рисунок 12. Пружинные сальники: а — односторонний; б — двухсторонний;

1 — крышка сальника; 2 — вращающееся стальное кольцо; 3 — неподвижное металлографитовое кольцо; 4 — резиновая прокладка; 5 — ведущее кольцо; 6 —пружина; 7 — нажимное кольцо; 8 — резиновое кольцо.

Трущиеся кольца прижимаются друг к другу одной (при диаметре вала до 50мм) или несколькими пружинами, установленными в сепа­раторе. В камеру сальника масло подается насосом, благодаря чему достигается: дополнительное уплотнение; уменьшение мерности трения в трущихся деталях; охлаждение трущихся деталей; унос продуктов износа. Описанные конструкции сальников отличаются надежностью, простотой изготовления и монтажа, удобством экс­плуатации.

Системы смазывания. Для надежной и безопасной работы порш­невого компрессора необходимо, чтобы смазкой были обеспечены все трущиеся пары, а именно: поршень и цилиндр; поршневой и крейцкопфный пальцы; шатунные и коренные подшипники вала; сальник вала или штока; механизм передачи движения от вала к масляному насосу.

По способу подачи масла системы смазывания можно разделить на две: разбрызгиванием (барботажную) и принудительную. В сальниковых хладоновых компрессорах малой производительности широко применяют барботажное смазывание. При этом способе коленчатый вал с помощью специальных разбрызгивателей образует масляный туман, который оседает на поверхности трущихся деталей. С увеличением размеров компрес­сора возрастают давления в трущихся парах и энергия, необходимая для преодоления трения, поэтому в средних и крупных компрессорах применяется только принудительная система смазывания.

В герметичных компрессорах принудительное смазывание приме­няется для обеспечения надежности, снижения уровня шума, а также для отвода теплоты от трущихся деталей и встроенного электродви­гателя к кожуху компрессора, охлаждаемого окружающим воздухом.

В холодильных поршневых компрессорах для принудительного смазывания применяются центробежные, шнековые, шестеренные, ротационные и плунжерные насосы.

Смазывание бескрейцкопфных средних и крупных компрессоров чаще всего осуществляют от шестеренных насосов. Встречаются два варианта размещения таких насосов: ниже уровня масла в картере — затопленный насос и насос, расположенный по оси коленчатого вала. Затопленный насос надежен в работе, однако в этом случае он требует привода из двух-трех шестерен, что делает агрегат гро­моздким и трудоемким. Более просты и компактны шестеренные насосы с внутренним зацеплением, ось которых совпадает с осью коленчатого вала. Они отличаются хорошей работоспособностью на. масле, насыщенном хладоном, что имеет большое значение при пуске компрессора после длительной стоянки.

В высокооборотных многоцилиндровых компрессорах отвод те­плоты от картера к воздуху может оказаться недостаточным — в этих случаях могут применяться водяные холодильники, встроенные в картер.

Масляный насос должен поддерживать давление, превышающее давление в картере (давление всасывания) на 0,06—0,25 МПа.

В малых компрессорах с вертикальным валом наиболее простым и надежным способом смазывания является центробежный. Насосом здесь является вал компрессора, имеющий радиальные сверления, и вертикальный канал, смещенный относительно оси вращения вала. Масло под действием центробежной силы проходит по радиальному от­верстию к вертикальному каналу и далее направляется к парам трения. В малых компрессорах применяются и другие способы смазывания.

Лекция 4.