книги из ГПНТБ / Хушпулян, М. М. Технико-экономические показатели современных компрессоров и установок

оборудования компрессорных установок. Фирмой «Юнкере» вы­ пускаются также модели СПДК марки 2К115В производитель­ ностью 4,5 м3/мии при рабочем давлении 6—7 кгс/см2, марки 4К115К производительностью 2 м3/мин на рабочие давления

225—300 кгс/см2.

В Англии СПДК производят фирмы «Алан-Мунту», «Мак­ кей» и другие по лицензиям, закупленным во Франции, и фир­ ма «Юикерс»; конструктивное оформление компрессоров, пере­ движных станций и их параметры аналогичны машинам фирмы «Юнкере».

СПДК выпускаются также и некоторыми фирмами США. В качестве топлива используется природный газ, и применяется искровое зажигание.

Основные направления современного развития свободнопор­ шневых компрессоров могут быть охарактеризованы следующи­ ми требованиями:

наращивание мощности в одном агрегате; увеличение надежности и срока службы. Во Франции, Анг­

лии и ФРГ срок службы СПДК различного назначения пример­

создание компрессорных установок, состоящих из несколь­ ких одновременно работающих СПДК;

выпуск новых типов свободнопоршневых компрессоров боль­ шой мощности.

4—1236

Г Л А В А 3

ВИНТОВЫЕ КОМПРЕССОРЫ И ИХ УСТАНОВКИ

Винтовые компрессоры являются одной из разновидностей машин, в которых сжатие осуществляется по принципу вытес­ нения.

Отличительная особенность винтового компрессора как вся­ кого объемного нагнетателя состоит в том, что развиваемое им конечное давление не зависит от-скорости и определяется со­ противлением внешней среды, а производительность прямо про­ порциональна частоте вращения, т. е. два основных параметра (давление и производительность) могут изменяться независимо друг от друга.

Основное преимущество винтовых компрессоров заключает­ ся в том, что они не имеют помпажных зон и к. п. д. машины при работе на частичных нагрузках достаточно высок.

Потери в винтовых компрессорах можно разделить на сле­ дующие группы: вызываемые протечками газа из рабочих по­ лостей; связанные с перемещением газа в пределах машины; механические, т. е. на трение в подшипниках, зубчатой пере­ даче и уплотнениях.

Винтовые компрессоры обладают высоким к. п. д. при ши­ роком диапазоне изменений в них конечных давлений и расхо­ дов газа.

Малая чувствительность к отложениям в проточной части является большим преимуществом винтовых компрессоров по сравнению с центробежными и особенно осевыми, работа кото­ рых в загрязненной атмосфере вызывает занос проточной части и эрозию лопаток, а следовательно, снижение к. п. д. и может привести к аварии.

Кроме того, винтовые компрессоры малочувствительны к толчкам и ударам, что также является их существенным пре­ имуществом.

50

Отсутствие в них кривошипно-шатунного механизма обеспе­ чивает условия для применения несравненно большей частоты вращения роторов, следовательно, больших производительнос­

необходимость применения дополнительных емкостей (гасите­ лей пульсации), что существенно упрощает конструкцию вин­ тового компрессора и повышает его надежность.

Значительное преимущество винтовых компрессоров по срав­ нению с поршневыми и большинством ротационных состоит в том, что нагнетательный газ не загрязняется смазкой, что осо­ бенно важно для химических производств, где требуется сжа­ тый газ без присутствия даже следов масла.

Недостатком винтовых компрессоров являются относительно небольшие степени сжатия. С увеличением производительности эти компрессоры становятся более тихоходными, так как часто­ та вращения роторов ограничивается допустимой максимальной окружной скоростью на зубьях. Поэтому винтовые компрессоры

сотносительно большой производительностью становятся тяже­ лыми. Кроме того, общий вес установки с винтовым компрессо­ ром большой производительности увеличивается также в связи

стем, что для привода винтовых компрессоров используют ти­ хоходные тяжелые двигатели или дополнительно устанавлива­ ют редукторы, понижающие частоту вращения двигателя.

Начиная с 1934 г. после многочисленных попыток сконструи­ ровать высокоэффективный и надежный компрессор для газо­ турбинных установок шведский инженер А. Лисхольм запатен­ товал винтовой компрессор, способный развивать значительное конечное давление при высоком к. п. д.

На рис. 11 показан такой винтовой компрессор. Основными

его элементами являются две пары роторов с винтовыми зубья­ ми специального профиля: ведущий ротор 3 с выпуклыми и ве­ домый 1 с вогнутыми боковыми поверхностями зубьев. Роторы, вращаясь в противоположных направлениях, находятся в непре­ рывном зацеплении. Их удерживает от непосредственного кон­ такта пара синхронизирующих шестерен 2. Зазор в зацеплении синхронизирующих колес меньше зазора между зубьями рото­ ров. Примерно такие же по величине радиальные и осевые зазо­ ры имеются между роторами и образующей поверхностью кор­ пуса компрессора. Благодаря этому во всем рабочем простран­ стве исключается соприкосновение вращающихся деталей, а сле­ довательно, отпадает необходимость в смазке, что обеспечивает получение компримируемого газа, не загрязненного смазочным маслом.

Сжатие газа в винтовом компрессоре происходит за счет сокращения объема рабочей полости, образованной поверхно-

стыо расточки корпуса, ее задней торцовой плоскостью и вин­ товыми поверхностями сопряженных впадин роторов.

Для наглядности на рис. 12, с—г показаны циклы процесса сжатия в винтовом компрессоре: при выходе лопастей из за­ цепления воздух всасывается через входное отверстие в беспре­ рывно увеличивающееся межлопастное пространство. Когда роторы оказываются в положении, изображенном на рис. 12, а, межлопастные пространства, полностью заполненные воздухом, оказываются изолированными от впускного патрубка. Продол­ жая вращение, ведущие лопасти вновь входят в зацепление (см. рис. 12,6). По мере зацепления лопастей объем межло­ пастного пространства, в котором заключен воздух, уменьша­ ется. Одновременно с этим воздух проталкивается к нагнетае­ мому отверстию (см. рис. 12, в). В результате осуществляется равномерное сжатие засасываемого газа.'Процесс сжатия про­ должается до тех пор, пока лопасти не достигнут края нагне­ таемого отверстия (см. рис. 12, г). При дальнейшем вращении сжатый воздух проходит через выхлопной патрубок в воздухо­ напорную трубу. Прежде чем одно межлопастное пространство полностью опорожнится, другое достигает нагнетательного пат­ рубка; тем самым обеспечивается постоянный поток воздуха.

Практически при компримировании вытесняется весь газ, так как объем вредного пространства составляет меньше 1% объема рабочей полости, что является одним из преимуществ винтового компрессора по сравнению с другими компрессорами вытеснения.

Так как частота вращения роторов достигает обычно не­ сколько тысяч оборотов в минуту при одновременном наличии нескольких рабочих полостей (нагнетание из последующей ра­ бочей полости начинается раньше, чем заканчивается вытесне­ ние всего газа из предыдущей), винтовым компрессором созда­

деляется отношением начального объема рабочей полости к конечному, причем за начальный принимается объем в момент отсечения винтовой впадины ведущего ротора от области вы­ теснения, а за конечный — объем полости в момент начала от­ крытия нагнетательного окна. Таким образом, конечный объем рабочей полости, а следовательно, и степень повышения давле­ ния определяются положением кромок нагнетательного окна.

1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ВИНТОВОГО КОМПРЕССОРА

Объемная производительность идеального винтового комп­ рессора, или его теоретическая производительность, определяет­

53

сжатия и нагнетания, а, кроме того, так же от объема вредного пространства.

Одним из достоинств винтовых компрессоров по сравнению с другими типами компрессорных машин, работающих по прин-

54

ципу вытеснения, является малый относительный объем вред­ ного пространства. В роторах циклоидального профиля он за­ нимает 1% объема рабочей полости, в роторах несимметрично­ го профиля — менее 0,5%, а в роторах симметричного кругово­ го профиля практически равен нулю.

Явление скоростного наддува в винтовом компрессоре схе­ матично можно представить следующим образом. При значи­ тельной частоте вращения роторов выходящие из зацепления сопряженные зубья удаляются друг от друга и образуют за собой область разрежения, в которую с большой скоростью по­ ступает газ из всасывающего патрубка. Область разрежения непрерывно увеличивается в объеме и принимает форму двух винтовых каналов, которые отсекаются от области всасывания, когда достигают своей полной длины. Так как газ поступает в эти непрерывно увеличивающиеся полости с большой осевой скоростью, давление внутри каналов непосредственно лосле от­ сечения их от области всасывания оказывается выше давления во всасывающем патрубке. Поэтому в отличие от поршневых компрессоров, фактическое весовое количество газа, забирае­ мое винтовым компрессором из всасывающего патрубка в еди­ ницу времени, будет больше теоретической производительности, рассчитанной по параметрам газа во всасывающем патрубке. Эта разность растет с увеличением частоты вращения роторов. На рис. 14 показана закономерность изменения коэффициента г|п подачи винтового компрессора с диаметром ротора 250 мм вследствие воздействия инерционного наддува при увеличении частоты вращения.

Особенно наглядно явление наддува протекает при больших скоростях вращения и малых степенях сжатия (которым соот-

ветствуют малые протечки), в этом случае коэффициент пода­ чи может быть больше единицы.

В соответствии с этим действительная производительность компрессора

(20)

Выразим частоту вращения ведущего ротора через окруж­ ную скорость:

(21)

где tii — скорость на начальной окружности ротора в м/с. Тогда основной конструктивный параметр компрессора —

диаметр (в мм) начальной окружности ведущего ротора — вы­ разится формулой

(22)

Сжатие газа внутри рабочей полости начинается с момента ее образования и заканчивается ее раскрытием в полость наг­ нетания.

Конечное давление р2 в рабочей полости определяется гео­ метрией роторов и расположением нагнетательного окна, а так­ же зависит от параметров газа в начальный момент сжатия.

Степень повышения давления винтового компрессора— это отношение давления газа в нагнетательном патрубке к давле­ нию во всасывающем патрубке:

(23)

Вследствие большой частоты вращения роторов теплоотдача от компримируемого газа к корпусу не успевает произойти за весьма короткий период сжатия (обычно не превышающий 0,01 с). Поэтому процесс сжатия в винтовом компрессоре обыч­ но считают адиабатическим. Существенное влияние на харак­ тер этого процесса (уменьшение показателя сжатия) может оказать впрыск охлаждающей воды во всасывающий патрубок компрессора. По имеющимся экспериментальным данным за счет этого показатель политропы сжатия может быть снижен до тл=1,1. В случае охлаждения компрессора впрыском воды во всасывающую полость процесс будет отклоняться от адиаба­ тического. При этом значение расходуемой мощности на ком­ примирование определится по формуле, где показатель адиаба­ ты должен быть заменен на политропический, в зависимости от интенсивности охлаждения в пределах значений т=1,1ч-1,4.

Мощность (в квт), потребляемая винтовым компрессором

5G

при адиабатическом процессе сжатия и без учета потерь, мо­ жет быть представлена в виде формулы

ние во всасывающем патрубке в кгс/см2.

Однако уравнение (24) справедливо лишь в том случае,, когда конечное давление в изолированной рабочей полости р% равно давлению в нагнетательном патрубке ра. При всех дру­ гих режимах работы компрессора, т. е. при рчФра, теоретиче­ ский расход мощности винтовым компрессором можно опреде­ лить по выражению

где р2 — среднее конечное давление в изолированной рабочей полости в кгс/см2.

Мощность, необходимая для привода компрессора, складн­

ее

вается из мощности, затрачиваемой на сжатие газа — , и мощ-

4;

ности, расходуемой на внешние протечки и преодоление меха­ нических потерь. Индикаторный к. п. д. тр в данном случае является адиабатическим, поскольку таким принят процесс

где 1] — полный к. п. д. винтового компрессора.

Численное значение г] в современных винтовых компрессор­ ных машинах лежит в пределах от 0,8 до 0,9.

57

2. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТИПОРАЗМЕРНЫХ РЯДОВ ВИНТОВЫХ КОМПРЕССОРОВ

За последние годы создан большой типоразмерный ряд вин­ товых компрессорных машин.

Подавляющее большинство зарубежных фирм, а среди них известные в компрессоростроенин «Джой», «Гарднер-Денвер», «Ингерсолл-Рэнд» (США), «Атлас-Копко» (Швеция), «Спирофло» и «Хоуден» (Англия), «Демаг» (ФРГ), «ГХХ» («Гутехоф- фнугс-Хюте», ФРГ), завод «ЧДК» (ЧССР) и другие выпускают большое число винтовых компрессорных машин различных по назначению, параметрам давления нагнетания и производитель­ ности.

В связи с совершенствованием и освоением передовых мето­ дов изготовления винтовых компрессоров применение их в про­ мышленности за последнее десятилетие резко возросло. В на­ стоящее время их использование в установках, потребляющих сжатые газы с давлениями нагнетания 10 кгс/см2 и выше, занимает значительное место среди других видов компрессор­ ных машин. В табл. 12 приведены основные данные относитель­ но малопроизводительных передвижных винтовых компрессор­ ных установок фирмы «Гарднер-Денвер»;

Английская фирма «Хоуден» выпускает передвижные вин­ товые компрессоры, которые кроме использования на объектах

•строительно-монтажных работ находят широкое применение в химической промышленности, в процессах сжатия воздуха, ме­ стного транспорта газа, в качестве агрегата наддува в больших двигателях внутреннего сгорания, а также могут быть газовы­ ми бустерными установками высокого давления. Нормальный ряд компрессоров фирмы «Хоуден» состоит из 16 типоразмеров. Наибольший из них («Хоуден-16») в нормальных условиях мо-

58