книги из ГПНТБ / Селиверстов В.М. Теплосиловое оборудование подъемно-транспортных машин учебник

давления от р'2 до р 2. Промежуточный холодильник здесь использует­

ся в качестве ресивера.

Из рассмотренных двух схем двухступенчатого сжатия с дифферен­ циальными поршнями предпочтение следует отдать первой схеме

Рис. 136. Схема двухступенчатого компрессора одностороннего дей­ ствия с дифференциальным поршнем (а) и его индикаторная диа­ грамма (б)

поскольку в ней рабочие уси ли я на подвиж ны е части распределены более равном ерно.

Комбинированием ступеней двухступен чатого ком прессора можно получить трех- и многоступенчаты е ком прессоры с диф ференциальны м

Рис. 137. Схема трехступенчатого компрессора с дифференциальным поршнем

поршнем. На рис. 137 приведена схема трехступенчатого компрессора. Стрелками показано перетекание воздуха при перемещении поршня влево (наверху) и вправо (внизу).

§ 126. Конструктивные элементы и системы поршневых

компрессоров

Воздушные одно- и двухступенчатые поршневые компрессоры не­ большой производительности преимущественно строят бескрейцкопф­ ными с вертикальным или Ѵ-образным расположением цилиндров. В них по сравнению с горизонтальными компрессорами обеспечи-

238

ваются более равномерная смазка цилиндра и высокий механический к. п. д. Размеры фундамента у таких компрессоров небольшие. Менее интенсивный износ цилиндро-поршневой группы и большая устойчи­ вость вертикальных компрессоров позволяют выполнять их быстро­ ходными и нередко соединять непосредственно с электродвигателем без применения передачи, что уменьшает вес, габариты и стоимость всей компрессорной установки.

Несмотря на многообразие конструктивных типов, поршневые компрессоры состоят из следующих основных элементов: остова, кривошипно-шатунного механизма, механизма газораспределения, систем охлаждения, смазки и регулирования.

Остов одноступенчатого компрессора простого действия состоит обычно из блока цилиндров и картера, выполненных в виде единой от­ ливки, и головки цилиндров. В блок цилиндров устанавливаются втулки, образующие кольцевое пространство в цилиндрах, через ко­ торое прокачивается охлаждающая компрессор вода. В головках ци­ линдров располагаются всасывающие и нагнетательные клапаны. У компрессоров с воздушным охлаждением на наружной поверхности цилиндров имеются продольные или кольцевые ребра. Головки ци­ линдров в этих компрессорах также делаются съемными с оребрением на стороне нагнетания. Обычно блок цилиндров и крышки изготов­

Шатуны выполняются стальными двутаврового сечения с разъем­ ным шатунным подшипником. Коленчатый вал устанавливается в под­ шипники скольжения или качения, в зависимости от быстроходности машины.

Следует отметить, что по конструкции остов и кривошипно-шатун­ ный механизм одноступенчатого компрессора простого действия весьма сходные аналогичными деталями ДВС.Это позволяет в отдельных слу­ чаях применять в компрессорах поршни, шатуны и другие детали дви­ гателей, что упрощает и удешевляет как производство, так и техниче­ ское обслуживание компрессоров.

Механизм газораспределения в поршневых компрессорах обще­ промышленного назначения выполняется в виде автоматически дей­ ствующих (самодействующих) клапанов. Наибольшее распространение получили пластинчатые клапаны, которые в зависимости от произво­ дительности бывают прямоугольными, кольцевыми и многокольце­ выми.

Пластинчатый трехкольцевой клапан (рис. 138) состоит из решет­ чатого седла 7 с тремя кольцевыми щелями, стальной трехкольцевой пластины 1 толщиной 1—2 мм и ограничителя подъема 4. В теле огра­ ничителя имеются гнезда для спиральных пружин 5, обеспечиваю­

239

щих посадку клапанной пластины 1 на седло. Высота подъема кла­ панной пластины регулируется шайбой 2, а проворачивание ее пре­ дотвращается штифтом 3. Седло и ограничитель соединены болтом 6.

Всасывающий и нагнетательный клапаны для одной и той же сту­ пени выполняются взаимозаменяемыми. При работе компрессора пластина клапана поднимается вследствие разности давления до и пос­

ле него. В открытом положении пластина удерживается динамическим напором Ар движущей струи воздуха, определяемым по формуле

где с — скорость воздуха, проходящего через клапан, м/с; р — плотность воздуха, кг/м3.

Динамический напор, поддерживающий пластину, может быть най­

где / — площадь клапана, подвергающаяся давлению струи воздуха, м2; z — упругость пружины, кг/см;

h — высота подъема пружины, см;

а — величина сжатия пружины при закрытых клапанах, см; g — 9,81 м/с2 — ускорение свободного падения.

Для создания требуемого давления Ар скорость воздуха в ступенях низкого давления должна быть не менее 20—30 м/с.

Системы охлаждения компрессоров бывают воздушные и водяные. Воздушное охлаждение обычно применяется в передвижных ком­ прессорах и компрессорах небольшой производительности. Оно про-

240

изводится путем обдувки воздушным потоком цилиндров, имеющих ребра. Водяное охлаждение используется в стационарных, судовых компрессорах и может быть разомкнутым и замкнутым. В первых системах охдаждающая вода прокачивается через зарубашечное про­ странство компрессора, промежуточный холодильник и отводится в сливную магистраль. Эта система применяется при наличии большого количества дешевой и чистой воды. При охлаждении цилиндров жест­ кой водой, содержащей соли жесткости [CaS04, MgS04, СаС12, MgCl2, Са (НС03)2, Mg (НС03)2 и т. д .], температура ее на выходе не должна превышать 40° С. При более высокой температуре происходит терми­ ческое разложение бикарбонатов кальция и магния с осаждением на стенках цилиндров слоя карбонатной накипи (СаС03, MgC03).

Замкнутая система охлаждения компрессоров аналогична системе охлаждения двигателей. В этом случае во внутреннем контуре исполь­ зуется вода, из которой удалены соли жесткости. При такой системе может быть повышен температурный режим охлаждения (t > 40° С)

и уменьшена вязкость масла, а следовательно, и износ цилиндро-пор­ шневой группы компрессора.

Вода внутреннего контура в стационарных установках охлаждается в градирнях, а в судовых — в специальном холодильнике забортной водой. Перепад температур воды в цилиндре компрессора должен под­

к цилиндрам и механизму движения. Смазка цилиндров может про­ изводиться: разбрызгиванием масла, залитого в картер, кривошипа­ ми коленчатого вала (такую смазку применяют в бескрейцкопфных компрессорах простого действия); вводом распыленного масла в поток всасываемого воздуха (этот вид смазки получил распространение в ком­ прессорах с дифференциальным поршнем, когда полость цилиндра непосредственно не соприкасается с картером) и подачей масла насо­ сом под давлением к трущимся поверхностям (применяется в горизон­ тальных малооборотных крейцкопфных компрессорах).

Механизм движения компрессора смазывается разбрызгиванием масла в картере или подачей его насосом к трущимся поверхностям.

Смазка цилиндров и механизма движения не только уменьшает тре­ ние в трущихся поверхностях, но также охлаждает детали компрес­ сора и повышает уплотняющую способность поршневых колец.

Применяемые в компрессорах масла работают в тяжелых условиях, поскольку соприкасаются с воздухом, имеющим высокую темпера­ туру. Эти масла должны обладать способностью противостоять воздей­ ствию кислорода воздуха при высоких давлениях и температурах. Подача в цилиндр масла с избытком может привести к образованию нагара, что увеличит износ трущихся поверхностей компрессора. Кро­ ме того, при температурах выше 140° С тяжелые молекулы масла рас­ щепляются на легкие углеводороды, которые с воздухом образуют взрывоопасную смесь.

Для смазки воздушных компрессоров низкого и среднего давления при температурах нагнетания до 160° С применяют масло компрессор­ ное 12, при температурах до 200° С и давлениях до 35 МН/м2 — масло

241

компрессорное 19. Эти масла способны противостоять окисляющему действию воздуха и не склонны к образованию нагара. Цифра в марке масла обозначает его среднюю кинематическую вязкость в сантистоксах при температуре 100° С.

§ 127. Регулирование производительности поршневых компрессоров

В компрессорах, используемых на различных пневматических уста­ новках, требуется поддержка постоянного давления в нагнетательной сети при переменном расходе воздуха. В некоторых случаях также

необходимо поддерживать постоянный расход его при переменном давлении.

Производительность компрессора (в м3/мин), определяемую из выражения

Однако полученная экономия работы в компрессоре при неправильно подобранном ДВС может быть полностью поглощена менее экономич­ ной работой двигателя на долевых режимах или даже оказаться больше нее.

При постоянных значениях а, ß, Vh и переменной частоте враще­ ния теоретические характеристики в диаграмме рѴ изображаются

прямыми, параллельными оси ординат. Чем больше ß при переменной степени повышения давления, тем меньше производительность компрессора. В связи с этим действительная характеристика компрес­ сора при заданной частоте вращения изображается кривой, откло­ няющейся от вертикали (рис. 139). При различной частоте вращения она изображается рядом кривых.

Как видно из рис. 139, при работе поршневого компрессора не­ посредственно на установку пневматического транспорта, имеющего постоянную характеристику сети, с понижением частоты вращения -будет изменяться не только производительность, но и степень повыше­ ния давления ß.

242

Изменение же противодавления сети при постоянной частоте вра­ щения приводит к снижению производительности компрессора. Од­ нако вследствие крутой характеристики она снижается незначитель­ но, что легко может быть компенсировано увеличением частоты вра­ щения.

2. Воздействием на всасывающие клапаны компрессора. При этом способе регулирования всасывающие клапаны отжимаются, и они остаются открытыми как при ходе всасывания, так и при ходе нагнета­ ния. Клапаны могут быть отжаты полностью на всем ходе поршня, и подача воздуха будет равна нулю, или только на части хода нагнета­ ния. В последнем случае обеспечивается плавное регулирование

Рис. 140. Регулирование производительности компрессора отжатием клапанов на всем ходу (а) и на части хода (б) поршня

производительности компрессора. На рис. 140, а приведена индика­

торная диаграмма компрессора при полном открытии всасывающего клапана в период хода нагнетания, а на рис. 140, б — при открытии

его только на части этого хода.

Недостатком рассмотренного способа регулирования производи­ тельности являются частые воздействия на всасывающие клапаны, что приводит к снижению долговечности пластин, нарушению плот­ ности их прилегания и к утечкам воздуха.

3.Дросселированием на всасывании. Производительность компрес­ сора можно также регулировать частичным открытием всасывающего клапана, в результате чего будет происходить дросселирование воз­ духа при всасывании и уменьшение его количества, подаваемого в на­ гнетательную магистраль.

4.Отключением отдельных цилиндров. Этот способ применяется только в многоцилиндровых компрессорах для ступенчатого регули­ рования производительности до 50%.

5. Дополнительным включением камер вредного пространства. В соответствии с формулой (433) увеличение вредного пространст­ ва камеры приводит к уменьшению объемного к. п. д. компрессора, а следовательно, и его коэффициента подачи К. Такой способ ре­

гулирования применяется в крупных компрессорах.

На практике иногда применяют регулирование производитель­ ности компрессоров путем выпуска части сжатого воздуха в атмосфе­

243

ру. Этот способ наиболее простой, но самый неэкономичный. Возмож­ но также регулирование производительности ступенчатым способом путем остановки компрессора. Данный способ хотя и экономичен, но требует частого пуска компрессора, что нежелательно. Кроме того, его можно применять в установках, допускающих колебания давления в напорной магистрали.

§ 128. Испытания поршневых компрессоров

Установки пневматического транспорта, компрессорные станции в портах, плавучие краны обычно оборудуются одноили двухступен­ чатыми поршневыми компрессорами малой и средней производитель­ ности. Передвижные компрессорные станции обычно имеют привод от ДВС, а компрессоры стационарных установок приводятся во вращение от электродвигателя.

Отечественная промышленность выпускает около ста типоразмеров компрессоров на различные давления. Согласно ГОСТ 6791—53 воз­ душные компрессоры общего назначения изготовляют следующих ти­ пов: бескрейцкопфные — вертикальные ВВ, Ѵ-образные ВѴ и W-об- разные BW; крейцкопфные — угловые ВП и горизонтальные ВГ.

Первая буква (В) в марке компрессора означает воздушный, а вто­ рая — расположение цилиндров.

Основные технические характеристики некоторых поршневых ком­ прессоров, представляющих интерес для пневматического транспорта и компрессорных станций, приведены в табл. 9.

Испытания компрессоров производят с целью определения их дей­ ствительной производительности, затрачиваемой мощности или дру­ гих показателей. Их выполняют при приемке компрессора после ре­ монта, при проверке соответствия производительности компрессора

244

проектным данным, для установления действительных показателей работы компрессора при длительной его эксплуатации. Производят испытания при установившемся тепловом состоянии компрессорной установки. Во время испытаний замеряют частоту вращения вала компрессора, давление и температуру воздуха до цилиндра и после него, объем всасываемого воздуха, расход и температуру охлаждаю­

щей воды, мощность, потребляемую электродвигателем или развивае­ мую две.

Частоту вращения вала компрессора измеряют тахометром, давле­ ние всасываемого воздуха — барометром, а конечное давление — манометром. Температуру воздуха и воды определяют ртутными тер­ мометрами.

Объем всасываемого воздуха определяют двумя способами: по ин­ дикаторной диаграмме и измерительными соплами или диафрагмами.

При определении объема по индикаторной диаграмме сначала на­ ходят по ней объемный к. п. д. компрессора Кѵ, а затем всасываемый объем воздуха Ѵ[ — XvVh.

Наиболее точно объем всасываемого воздуха определяют с помощью сопел или диафрагм, устанавливаемых на всасывающей магистрали компрессора. По перепаду давлений на диафрагме находят скорость воздуха, а затем и расход последнего через ее сечение.

По снятым индикаторным диаграммам определяют индикаторную мощность N t как отдельной ступени, так и компрессора в целом.

Мощность, потребляемую компрессором на валу, Ne измеряют раз­

лично в зависимости от рода привода. При электрическом приводе с помощью ваттметра определяют мощность, потребляемую электро­ двигателем. По к. п. д. электродвигателя находят эффективную мощ­ ность компрессора. Если компрессор приводится ДВС, то мощность, затрачиваемую на его привод, определяют путем испытаний двига­ теля.

§ 129. Ротационные компрессоры

Из ротационных компрессоров наиболее широкое распространение получили компрессоры с пластинчатым ротором (рис. 141). Ротор 1, размещенный эксцентрично в цилиндрическом корпусе 2 компрессора, образует замкнутое серповидное пространство 3. На корпусе имеются всасывающий 6 и нагнетательный 5 патрубки. По торцам ротор опи­

рается на два роликовых подшипника, по всей его длине сделаны пазы, в которые вставлены пластины 4. Пазы и вставленные в них пластины

несколько наклонены по направлению движения, что уменьшает опас­ ность заклинивания пластин во время работы компрессора.

При вращении ротора под действием центробежной силы пластины прижимаются к стенкам корпуса, перемещают в замкнутых камерах воздух из полости всасывания в полость нагнетания, сжимая его при этом. Вследствие большого трения пластин о корпус ротационные компрессоры обычно выполняют с водяным охлаждением.

Пластинчатые компрессоры хорошо уравновешены, не имеют кла­ панов, что позволяет соединять их непосредственно с электродвига-

245

телем. Частоту вращения компрессора выбирают с учетом трения пластин о корпус, принимая максимально допустимую окружную ско­ рость конца пластин имако равной 10— 12 м/с:

линдра корпуса), м.

Пластинчатые компрессоры выпускают одноили двухступенчаты­ ми, с давлением сжатого воздуха соответственно до 0,5 и 1 МН/м2, производительностью до 50 м3/мин. Их можно использовать в качестве вакуумных машин, отсасываю­ щих воздух из пространства с давлением меньше атмосферного и обеспечивающих вакуум до

95%.

Теоретическую производи­ тельность компрессора находят из условия прохождения возду­

Учитывая уменьшение рабочего объема цилиндра пластинами и коэффициент подачи, получаем следующую формулу для определения действительной производительности компрессора:

где ß — степень повышения давления в компрессоре.

Численное значение коэффициента при ß зависит от производи­ тельности машины, он увеличивается с ее понижением. Для выпол­ ненных пластинчатых компрессоров характерны следующие основные соотношения размеров: эксцентриситет е = (0,05-у-0 ,1)D, длина

246

Величина полного изотермического к. п. д., учитывающего меха­ нические потери вследствие больших сил трения концов пластин о корпус, меньше, чем у поршневых машин. Она составляет 0,5—0,6.

Производительность ротационных компрессоров можно регули­ ровать следующими способами:

1.Изменением частоты вращения. Это наиболее рациональный способ. Однако следует иметь в виду, что нижний предел частоты вра­ щения в данном случае составляет 50% номинальной, так как даль­ нейшее ее падение, вследствие уменьшения центробежных сил, не обеспечит плотного прилегания пластин к корпусу.

2.Дросселированием на всасывании. Этот способ применяют обыч­ но в компрессорах малой производительности, поскольку при нем

значительно снижается экономичность работы машины.

3. Периодическими остановками компрессора. Такой способ полу­ чил распространение в машинах малой производительности.

§ 130. Винтовые компрессоры

В различных отраслях народного хозяйства с каждым годом все чаще применяют винтовые компрессоры производительностью от 5 до 500 м3/мин при давлениях нагнетания до 1,2 МН/м2. Эти компрес­ соры весьма перспективны также для пневматического транспорта.

Винтовой компрессор (рис. 142) состоит из корпуса 2 и крышки 1, в которых по диагонали расположены всасывающий 8 и нагнетатель­ ный 3 патрубки. В крышке и корпусе сделаны взаимно пересекающие­ ся цилиндрические расточки для ведущего винта 4, присоединенного к электродвигателю, и ведомого 5. Ведущий винт имеет выпуклые ши­

рокие зубья, ведомый — вогнутые узкие. Для сохранения двусторон­ них боковых зазоров между зубьями винтов их валы соединяются син­ хронизирующими шестернями 9, что исключает возможность взаим­

ного касания винтов. В этом случае отпадает необходимость в смазке

исжатый воздух не загрязняется маслом.

Вкачестве подшипников в небольших компрессорах обычно ис­

пользуются подшипники качения: со стороны электродвигателя — опорные 7, с противоположной — радиально-упорные 6, восприни­

мающие осевые усилия, действующие на винтовые роторы. В крупных компрессорах применяют подшипники скольжения. Уплотнение ва­ лов винтовых роторов обеспечивается угольными или специальными металлокерамическими уплотнениями 10 сальникового типа. При ра­

боте компрессора винтовые роторы находятся в постоянном зацепле­ нии и вращаются в противоположных направлениях. Воздух из вса­ сывающего патрубка через окно всасывания, имеющее форму кольце­

247