Мембранный компрессор

Мембранный компрессор по своему устройству и принципу действия должен быть отнесен к поршневым компрессорам, т. е. к машинам объемного типа. Сжатие газа в этих компрессорах происходит в результате уменьшения объема камеры сжатия вследствие поступательного движения поршня. В данном случае поршнем является круглая гибкая мембрана, зажатая по периметру между крышкой и цилиндром и приводимая в колебательное движение.

Применяются мембранные компрессоры двух типов: с приводом гибкой мембраны непосредственно от кривошипно-шатунного механизма и с гидроприводом. В этом случае прогиб металлической мембраны вызывается возвратно-поступательным движением столба жидкости, на который воздействует через криво шипно-шатунный механизм поршень гидропривода.

На рис. 1 показан мембранный компрессор первого типа. Мембрана 1 из эластичного материала прикреплена в центре к штоку 2, имеющему возвратно-поступательное движение от эксцентрика 3, сидящего на коренном валу компрессора. Мембрана защемлена по периферии так, что между ней и крышкой образована герметичная полость сжатия, полностью изолированная от механизма движения.

Смазочное масло из картера может попасть в камеру сжатия только в случае разрушения гибкой мембраны.

Сжимаемая среда (воздух, газ) поступает в камеру сжатия через всасывающий клапан 4; сжатый газ выходит черезнагнета тельный клапан 5; оба клапана размещены в чугунной крышке цилиндра, снабженной для охлаждения ребрами. Блок-картер машины 6 также чугунный с расточками для опорных подшипников вала.

Такие мембранные компрессоры используют для сжатия малых количеств газа до невысокого давления. Мембраны изготовляют из материалов, допускающих большое число циклов нагружения при относительно больших прогибах, например, из прорезиненной ткани или просто резины.

Жесткая связь мембраны со штоком позволяет допускать довольно высокую угловую скорость вращения вала (примерно до 100 рад/сек). Конечное давление, создаваемое такими машинами, зависит от прочности материала мембран; обычно оно не превышает

0,15 Мн/м3 (1,5 кГ/ см).

Мембранные компрессоры второй группы представляют большой интерес и находят применение в промышленности и в лабораторных условиях. На рис. 2 показан вертикальный одноступенчатый компрессор МК 20.12-200 такого типа.

Основным рабочим узлом, выполняющим роль цилиндра, этого компрессора является мембранный блок. Он состоитиз ограничительного 1 и распределительного 2 дисков, между которыми защемлена по периферии мембрана 3,

а также корпуса 4 с гидравлическим цилиндром 5. Внутренние поверхности ограничительного и распределительного дисков имеют одинаковые вогнутые профили, вследствие чего между ними образуется замкнутая полость.

Мембрана разделяет эту полость на две части. Наружная часть полости сообщается через всасывающий 6 и нагнетательный 7 клапаны с соответствующими газовыми коммуникациями, а внутренняя часть через равномерно распределенные отверстия распределительного диска — с гидравлическим цилиндром. Внутренняя часть полости и гидравлический цилиндр заполнены жидкостью.

При работе гидропривода (во многих конструкциях поршневого типа с кривошипно-шатунным механизмом движения) мембране сообщается колебательное движение, при этом она прогибается в обе стороны от плоскости ее заделки. Объем, заключенный между профилированными поверхностями ограничительного и распределительного дисков, несколько превышает рабочий объем гидравлического цилиндра. Поэтому, если в конце процесса нагнетания мембрана плотно прижимается к профилированной поверхности ограничительного диска, то в конце процесса всасывания она не доходит до поверхности распределительного диска.

Смещение движения мембраны относительно плоскости ее заделки вызывается дополнительным поступлением жидкости в течение всего хода всасывания поршня гидропривода от компенсационного насоса 8, восполняющего утечки из гидравлической системы. Его производительность больше величины утечек, вследствие чего мембрана достигает профилированной поверхности ограничительного диска несколько раньше, чем поршень гидравлического привода приходит в в. м. т.

При дальнейшем движении поршня до конца его хода избыток жидкости отводится из гидравлической полости блока через специальный перепускной клапан, так называемый ограничитель давления который открывается при давлении, превышающем давление нагнетания. Этим достигается плотное прилегание мембраны к профилированной поверхности ограничительного диска и полное вытеснение газа из камеры сжатия в нагнетательный канал.

Таким образом, при работе компрессора мембрана полностью изолирует сжимаемый газ от внешней среды и от жидкости гидропривода. Она нагружена со стороны ограничительного диска давлением газа, а со стороны вала — давлением жидкости. Вели чина этих давлений непрерывно меняется, но в течение всего периода движения мембраны поддерживается некоторая минимальная их разность, необходимая для преодоления внутренних упругих сил мембраны. Слабая зависимость предельного по прочности состояния мембраны от величины давления нагнетаемого газа позволяет применять относительно тонкие мембраны даже в ступенях высокого давления.

При невысоких скоростях вращения мембранные компрессоры обычно приводятся в движение через клиноременную передачу от электродвигателей, поэтому на одном из концов коленчатого вала закрепляют маховик-шкив 9.

Интенсивное охлаждение сжимаемого газа вследствие относительно больших поверхностей мембраны и массы металла блока, а также весьма низкие величины относительного мертвого пространства позволяют достигать высоких отношений давлений в од ной ступени. Например, для достижения давления 100 Мн/м2 достаточно всего трех ступеней сжатия.

Для усиления охлаждения и повышения этим производительности машины в полости под распределительным диском часто располагают змеевик, охлаждаемый водой.

Мембранный блок крепится болтами к фланцу жидкостного цилиндра; при этом должно обеспечиваться плотное соединение между ограничительным и распределительным дисками и мембраной без каких-либо прокладок.

Металлические мембраны работают в пределах упругих де формаций, их долговечность относительно невелика (500—1500 ч), что относится к недостаткам этих компрессоров.

При разрушении мембраны рабочая жидкость может попасть в сжимаемый газ. Во избежание этого и для повышения надежности работы машины применяют многослойные мембраны.

Долговечность мембраны в значительной мере определяется правильно выбранным профилем вогнутых поверхностей ограничительного диска и величиной максимального прогиба.

Профилированная поверхность должна обеспечивать не только снижение максимальных напряжений в мембране во время работы компрессора, но также и создавать условия минимального мертвого объема в камере сжатия и высокий коэффициент подачи. Кроме того, правильно выбранный профиль влияет на величину давления жидкости, необходимого для прогиба мембраны.

Учитывая малое значение компрессоров с непосредственным приводом мембран, в дальнейшем рассматриваются только машины с металлическими мембранами, приводимыми в движение посредством гидравлического привода.