Конструкция и эксплуатация винтового компрессора

Лекция 10.

Принцип действия винтового компрессора. Винтовые компрес­соры, как и поршневые, относятся к классу компрессоров объемно­го принципа действия. Повышение давления газа (пара) в них достигается за счет уменьшения замкнутого объема, образуемого впадинами винтов и стенками корпуса.

В зависимости от фазового состояния, соотношения фаз и состава рабочего вещества винтовые компрессоры делятся на следую­щие типа:

1) винтовые маслозаполненные компрессоры (ВМК);

2) винтовые компрессоры сухого сжатия (ВКС), в которых ос­новные детали могут охлаждаться паром или жидкостью;

3) винтовые компрессоры мокрого сжатия, работающие с впрыс­ком в рабочие полости сравнительно небольшого количества жид­кости, главным образом с целью снижения температуры сжимае­мого газа.

В настоящее время винтовые компрессоры используются в ос­новном в холодильных машинах. Преимущественное применение в холодильной технике нашли винтовые маслозаполненные ком­прессоры. Масло впрыскивается в рабочие полости ВМК, где оно обеспечивает уплотнение зазоров между рабочими органами ком­прессора, отвод теплоты сжатия газа от нагретых деталей, смазы­вание компрессора и снижение уровня шума.

По числу основных деталей (роторов) винтовые компрессоры могут быть одно-, двух- и многороторными. Последние не получи­ли широкого распространения. Некоторое применение нашли однороторные компрессоры. Наиболее распространены двухроторные винтовые компрессоры. На рис. 10.1 показана конструктивная схема двухроторного холодильного маслозаполненного компрессора.

Компрессор состоит из корпуса 2, имеющего вертикальный разъем, передней крышки 1 с камерой всасывания и задней крышки 3. В цилиндрических расточках корпуса помещаются ведущий (ВЩ) 5 и ведомый (ВМ) 4 роторы, вращающиеся в опорных подшипниках 6. На средней утолщенной части ротора нарезаны зубья ВЩ и ВМ винтов, входящих во взаимное зацепление, подобно зубчатым ко­лесам. Осевые силы, действующие на роторы, воспринимаются упор­ными подшипниками 7. Часть осевой силы снимается разгрузоч ными поршнями 8. В нижней части корпуса в области сжатии пара (в цилиндрической расточке) помещен золотник 9, предназначенный для регулирования подачи компрессора. Наличие золотника является характерной особенностью винтовых компрессоров, по­зволяющей регулировать подачу в широких пределах.

Рис. 10.1. Двухроторный холодильный винтовой компрессор (ВМК)

Корпус компрессора имеет окно всасывания и окно нагнетания, расположенные приблизительно по диагонали, если смотреть сбоку на цилиндрические расточки для винтов. Винты представляют со­бой косозубые крупномодульные цилиндрические шестерни постоянного осевого шага с зубьями специального профиля (рис. 10.2). Зубья парных винтов при взаимной обкатке образуют теоретичес­ки беззазорное соединение. В полости (впадине) между зубьями ил камеры через окно всасывания поступает газ. Окно всасывания занимает только часть (хотя и большую) торцевой площади, ометаемой зубьями винта (рис. 10.3).

Рис. 10.2. Профили роторов:

1 — ведомого; 2 — ведущего

Рис. 10.3. Окно всасывания (заштриховано)

Винтовые компрессоры современной конструкции появились сравнительно недавно. В 1949 г. в нашей стране были созданы методики расчета винтовых компрессоров и инструмента для изготовления винтов, а в 1952 г. были изготовлены первые образцы воздушных и газовых машин, которые работали с впрыском в ра­бочее пространство воды.

В конце 50-х и начале 60-х годов XX в. появились винтовые компрессоры, работающие с впрыском масла, получившие название маслозаполненных. Их конструкции по сравнению с компрессорами сухого сжатия и машинами, работающими с впрыском капельной жидкости, не обладающей смазывающими свойствами, несколько упростились. Оказались излишними шестерни связи, так как при наличии смазывания допускается взаимное касание винтов ком­прессора, что обеспечивает их кинематическую связь. Упростились узлы уплотнений и подшипников.

Принцип работы двухроторного винтового компрессора (как су­хого, так и маслозаполненного) состоит в следующем.

При подходе и соединении очередных полостей ВЩ и ВМ вин­тов с окном всасывания начинается процесс всасывания газа (рис. 10.4). К этому моменту лишь часть объема полостей освобо­дилась от зубьев. По мере вращения винтов освобождающийся объем полостей увеличивается, процесс всасывания продолжается. После отсоединения полостей винтов от полости всасывания на­ступает процесс переноса.

Рис. 10.4. Схема работы винтового компрессора:

1 — нагнетательная полость; 2 — условно выпрямленный желоб (винтовая впадина)

одного ротора; 3 — зуб второго ротора, входящий во впадину первого ротора;

4 — всасывающая полость

При дальнейшем вращении полости ВЩ и ВМ винтов посте­пенно заполняются зубьями парного винта. Объемы полостей, за­полненные газом, поступенно уменьшаются, поскольку после окон­чания процессов всасывания и переноса полости еще не подошли к окну нагнетания, находящемуся с противоположного торца винтов, и не соединились с ним. Газ, перемещаясь вдоль полостей винтов в сторону торца и камеры нагнетания, одновременно сжимается и его давление повышается.

Окно нагнетания, расположенное в основном с торца и частич­но сбоку винтов в корпусе компрессора, имеет такие размеры, кото­рые обеспечивают, с одной стороны, получение заданного внутрен­него давления сжатия газа в полостях винтов, с другой — прием­лемую скорость движения газа через окно нагнетания. В момент соединения полостей с окном нагнетания заканчивается процесс внутреннего сжатия в компрессоре и начинается процесс нагнета­ния (выталкивания) рабочего вещества. Следует иметь в виду, что ни одна парная полость, образованная ВЩ и ВМ винтами, не мо­жет быть соединенной одновременно с камерами всасывания и на­гнетания.

Теоретический цикл работы. Теоретический цикл работы вин­тового компрессора состоит из изобарных процессов всасывания и нагнетания и изоэнтропного процесса сжатия (пренебрегая тепло­массообменом между рабочим веществом и внешней средой). Воз­можные теоретические циклы работы компрессора показаны на рис. 10.5. В отличие от поршневого в винтовом компрессоре от­сутствует определенное, конструктивно оформленное мертвое про­странство, поэтому процесс всасывания на диаграммах условно изоб­ражается, начиная от оси ординат, а процесс нагнетания на той же оси и заканчивается.

Рис. 10.5. Теоретические циклы винтового компрессора для различных ре­жимов работы

Из-за отсутствия самодействующих клапанов на нагнетании давление внутреннего сжатия р_а может не совпадать с давлением р_н, что находит отражение в характере течения процессов нагнета­ния (рис. 10.5, б, в). Если р_а<p_н, то дожатие газа происходит в момент соединения парной полости с камерой нагнетания. Это случай так называемого внегеометрического сжатия (рис. 10.5, б). Если р_а > р_н, то в момент соединения полости с камерой газ расширится, а работа, затраченная на его «пережатие», превращается в теплоту. Это самый невыгодный режим работы компрессора. Заштрихован­ные участки диаграмм соответствуют потерям энергии (рис. 10.5, в).

Наиболее экономичным является режим, при котором давле­ния р_а = р_н, т. е. совпадают. Этот режим называется основным (рис. 10.5, а).

Параметры винтовых компрессоров. Теоретическая объемная подача винтового компрессора определяется конструктивными и кинематическими параметрами компрессора:

где К_п — коэффициент использования объема парной полости

(К_п = W_n/ W₀); W₀ - полный объем парной полости, определяемый по формуле

l_в — длина винта; f_1п, f_2п — площади впадин между зубьями в торцевой полости соответственно ВЩ и ВМ винтов; W_п — объем парной полости в момент начала сжатия газа в ней, т. е. в момент начала уменьшения ее объема; n_i — частота вращения винта (i = 1,2); z_i — число зубьев винта (известно, что z₁n₁ = z₂n₂). Формула для Q_т может быть представлена так:

где u₁ - окружная скорость на внешней окружности ведущего винта; D₁ — диаметр внешней окружности того же винта.

Действительная подача винтового компрессора

где λ — коэффициент подачи.

Экспериментально найденное значение коэффициента подачи учитывает влияние различных факторов на подачу. Основными из них являются:

· утечки рабочего вещества через щели в полости всасывания;

· гидравлические сопротивления тракта всасывания;

· подогрев рабочего вещества на всасывании;

· термодинамические свойства рабочего вещества;

· центробежные силы, действующие на рабочее вещество.

В винтовом компрессоре различают геометрическую степень сжатия ε_г, а также внутреннюю π_а и внешнюю π_н степени повыше­ния давления.

Внешняя степень повышения давления в ступени компрессора равна отношению давления в камере нагне­тания р_н к давлению в камере всасывания р_в, т. е. π_н =р_н/р_в. При неизменных внешних условиях и установившемся режиме работы машины внешняя степень повышения давления не меняется при изменении частоты вращения роторов.

Внутренняя степень повышения давле­ния равна отношению давления в парной полости в момент соединения ее с окном нагнетания к давлению всасывания р_в, т. е. π_а =р_а/р_в

Предполагая процесс сжатия в первом приближении политропным, происходящим при постоянном количестве рабочего веще­ства, отношение давлений можно выразить через соотношение со­ответствующих объемов:

где W₃ — заполненный объем парной области зубьев винтов от начала их геометрического внедрения в полости до начала соеди­нения полости с окном нагнетания. Разность объемов W₀ - W₃ составляет объем полости в момент соединения ее с окном нагне­тания.

Геометрической степенью сжатия называется отношение объе­мов. Эта степень определяется выражением

ε_г = W_n /(W₀ - W₃).

Это отношение является функцией только геометрических па­раметров винтов: окон всасывания и нагнетания, т. е. величин, заложенных в конструкцию компрессора.

Степень сжатия отечественных ВМК лежит в пределах 2,6...5,0.

Для винтового компрессора сухого сжатия индикаторная мощ­ность

где К_р - коэффициент, учитывающий влияние отклонения поли­тропы действительного процесса сжатия от условной политропы, а также влияние объемных потерь; р'_н — давление в парной полости (р'_н = р_н + ∆р_н), где ∆р_н - потери в нагнетательном тракте). Эффективная мощность, подводимая к компрессору,

Мощность Р_ТР зависит от механического трения и других видов сопротивлений, вызывающих потери. Потери на трения учитыва­ются с помощью механического КПД

Энергетическое совершенство компрессора характеризуется эф­фективным КПД, равным отношению адиабатной мощности Р_а (принимаемой за «эталонную») к мощности Р_е, подведенной к ком­прессору:

Индикаторный КПД компрессора

Тогда

Характер зависимости механического КПД винтовых компрес­соров от внешней степени повышения давления π_н показан на рис. 10.6.

Рис. 10.6. Зависимость механическо­го КПД от внешней степени повыше­ния давления для винтовых компрес­соров:

1 — сухие компрессоры; 2 — маслозаполненные

Характеристики ВКС изображены на рис. 10.7.

Рис. 10.7. Характеристики сухого винтового компрессора:

неохлаждаемый корпус;---------ох­лаждаемый корпус

Мощность двигателя, приво­дящего компрессор, должна учи­тывать потери в промежуточной передаче, а также сверх этого иметь некоторый запас в 5-10 % (К = 1,05-1,10) для компенса­ции возможных отклонений рас­четных величин от истинных:

Мощность винтовых маслозаполненных компрессоров (ВМК) затрачивается на сжатие и перемещение рабочего вещества Р_и, на преодоление трения роторов о паромасляную смесь Р_гм, на транс­портирование масла на сторону нагнетания Р_м, на трение в под­шипниках, торцевом уплотнении, уравновешивающих поршнях Р_тр.

Таким образом, уравнение для определения эффективной мощ­ности ВМК можно записать в следующем виде:

Внутренняя мощность

Расчетная индикаторная мощность Р_и определяется по уравне­нию

где Q_м — расход масляного раствора, занимающего часть объема парных полостей на стороне всасывания; р_i — среднее индикатор­ное давление действительного ВМК, определяемое по индикатор­ной диаграмме.

Энергетическая эффективность ВМК определяется следующими

КПД:

внутренним адиабатным

механическим

эффективным

Характер зависимостей коэффици­ента подачи ВМК λ, эффективного КПД λ_е от π_н показан на рис. 10.8 и 10.9.

Рис. 10.8. Зависимость λ вин­тового маслозаполненного ком­прессора от π_н

для различных масел: 1 — ХС-40; 2— ХС-50

Рис. 10.9. Зависимость η_е маслозаполненного компрессора от

π_н для различных масел:

1 — ХС-40; 2 — ХС-50

Регулирование подачи винтового компрессора. Подача ВК может регу­лироваться путем изменения часто­ты вращения. Этот способ достаточ­но эффективен, однако он существен­но усложняет систему управления при­водным электродвигателем.

Важным достоинством винтовых маслозаполненных компрессоров яв­ляется возможность регулирования их подачи в широком диапазоне: от пол­ной до примерно пятнадцатипроцентной благодаря наличию золотника 9 (рис. 10.1). Перемещаясь вдоль оси в сторону торца нагнетания, золотник открывает доступ пару из рабочих полостей в камеру всасывания, тем самым факти­чески сокращает рабочую длину винтов и, следовательно, подачу компрессора. При пуске компрессора необходимо до минимума уменьшить потребляемую им мощность. С этой целью золотник перемещают в крайнее положение, в сторону полости нагнетания, тем самым обеспечивая минимальную подачу компрессора и соответственно минимальную пусковую мощность.

Применение регулирующего золотника позволяет осуществить один из наиболее экономичных способов регулирования подачи, обеспечивающего в конечном итоге значительную экономию энер­гии.