Винтовые и центробежные холодильные компрессоры

Поршневые, винтовые и центробежные компрессоры — три наиболее распространенных типа холодильных компрессоров. Поршневые рассматривались в предыдущей теме.

Винтовые компрессоры стали применять в холодильной технике сравнительно недавно — лет 20— 30 назад. Они значительно «моложе» поршневых и центробежных компрессоров, тем не менее прочно вписались в промежуточный по холодопроизводительности диапазон между ними, и постепенно этот диапазон расширяется.

Главные достоинства винтовых компрессоров — высокая надежность из-за отсутствия клапанов, компактность, слабая вибрация. Именно эти показатели обусловили внедрение винтовых компрессоров первоначально в судовых холодильных установках. Лишь позднее они получили широкое распространение в стационарных холодильных установках.

Винтовые компрессоры относятся к компрессорам объемного типа. Повышение давления газа (паров хладагента) происходит в результате уменьшения объема рабочей полости — замкнутого пространства между рабочими органами и корпусом.

Рис. 1. Винтовой маслозаполненный холодильный компрессор:

1 – корпус; 2 – ведущий ротор; 3 – ведомый ротор; 4 – разгрузочный поршень; 5 – проставка; 6 – регулятор производительности

Рабочими органами служит один — три ротора с нарезанными на них винтовыми зубьями. В холодильных машинах используют преимущественно двухроторные компрессоры (рис. 1). Один ротор — ведущий, другой – ведомый. Они сцеплены друг с другом как косозубые шестерни.

Число зубьев может быть различным. Самый распространенный вариант – четыре зуба на ведущем роторе и шесть на ведомом (иногда компрессоры модифицируют, превращая шестизубый ротор в ведущий, в этом случае производительность и мощность компрессора увеличиваются примерно в полтора раза).

Зубья имеют специальный, рассчитанный на ЭВМ, профиль, который обеспечивает полное заполнение выступом четырехзубого ротора впадины шестизубого, причем теоретически без какого-либо зазора. Однако практически это невозможно и из-за ограниченной точности станков и изменения размеров при колебаниях температуры в процессе работы. Поэтому роторы (и корпус) обрабатывают так, чтобы при комнатной температуре между ними оставались зазоры, которые, несмотря на их уменьшение при повышении температуры до максимальной рабочей, не позволили бы сопрягающимся деталям соприкоснуться. Из сказанного ясно, что зазоры должны быть не слишком маленькими, но и не слишком большими, так как утечки сжимаемого газа через зазоры ухудшают технические и экономические показатели компрессора. Оптимальные размеры зазоров строго рассчитывают и неукоснительно соблюдают при изготовлении компрессоров.

Снизить утечки газа, кроме уменьшения зазоров (что возможно лишь до определенного предела), можно увеличением частоты вращения роторов (процесс сжатия происходит быстрее и, значит, меньше количество газа утекает за это время через зазор) и заполнением зазоров смазочным маслом. Последний способ особенно эффективен, так как принудительно подаваемое в значительном количестве масло не только уплотняет зазоры, но и существенно охлаждает сжимаемый газ. Поэтому в холодильной технике применяют исключительно так называемое маслозаполненные винтовые компрессоры. Хотя и имеются конструкции, в которых попадание масла в рабочую полость исключено, однако их преимущества не могут перевесить достоинств маслозаполненных компрессоров.

В левой верхней части корпуса (см. рис. 1.) имеется окно всасывания – спрофилированное отверстие, через которое газ свободно заполняет пространство, образованное выемками в теле роторов. При повороте роторов кромки окна всасывания перекрываются торцами зубьев и газ оказывается в замкнутом объеме. Затем происходит процесс переноса газа из левой стороны корпуса в правую до тех пор, пока выступ одного ротора не начнет входить во впадину другого. С этого момента начинается сжатие газа в результате уменьшения объема так называемой парной полости, находящейся между зубьями роторов и корпусом. Сжатие заканчивается в момент, когда правые торцы зубьев достигают кромок окна нагнетания в нижней правой части корпуса. Сжатый газ через окно нагнетания поступает в нагнетательный патрубок.

Степень сжатия газа (отношение давлений в начале и конце этого процесса) жестко задана геометрией винтового компрессора, т.е. соотношением размеров корпуса, роторов, профилей зубьев. Она называется внутренней (или геометрической) степенью сжатия и обычно вносится в паспорт компрессора.

Внутреннюю степень сжатия в винтовых компрессорах можно ступенчато изменять, устанавливая разные проставки с различными окнами нагнетания, но делают это лишь во время сборки. После сборки при эксплуатации компрессора внутренняя степень сжатия остается неизменной. В отечественных винтовых компрессорах обычно используют стандартные внутренние степени сжатия 2,6; 4,0 или 5,0.

Наибольшей энергетической эффективностью винтовой компрессор обладает в том случае, когда внутренняя степень сжатия совпадает с внешней, т. е. когда давление в парной полости в момент ее соединения с нагнетательным патрубком равно давлению в последнем. Это бывает далеко не всегда, так как давление в нагнетательном патрубке (давление конденсации) зависит от внешних факторов (температуры воды или воздуха, Охлаждающих конденсатор, температуры кипения в испарителе). При несовпадении внутренней и внешней степеней сжатия возникают потери, ухудшающие показатели компрессора.

В последние годы за рубежом появились винтовые компрессоры с изменяемой внутренней степенью сжатия. Работа такого компрессора с помощью специальной автоматической системы подстраивается к изменению внешних условий.

При вращении роторов возникают значительные силы, действующие в направлении их осей и существенно осложняющие работу подшипников. Чтобы воспрепятствовать этому применяют разгрузочные поршни. Действие их основано на том, что разность давлений, подведенных к противоположным сторонам поршней, создает силы, направленные навстречу осевым силам.

Производительность винтового компрессора регулируется с помощью золотника — подвижной нижней части корпуса, находящейся между роторами. Она может двигаться в осевом направлении, скользя в направляющих. Пока золотник не сдвинут (на рис. 1 его левый торец совпадает с левыми торцами роторов), компрессор работает на полную производительность. Если золотник сдвинуть несколько вправо, то образование парной полости (замыкание ее объема) в начальный момент окажется невозможным, так как газ перетекает на сторону всасывания через образовавшуюся в нижней части корпуса пустоту. Замыкание объема парной полости произойдет несколько позднее, когда кромки зубьев роторов достигнут нового положения торца сдвинутого золотника. Поэтому объем сжимаемого газа, поместившегося в парной полости, будет несколько меньше исходного и, следовательно, несколько уменьшится производительность компрессора. При дальнейшем движении золотника вправо производительность будет продолжать уменьшаться. Таким образом, происходит ее плавное регулирование. Движение золотника осуществляется автоматически с помощью гидравлического, электрического или иного типа привода.

С маслозаполненным винтовым холодильным компрессором компонуется в виде агрегата специальная масляная система, занимающая больший объем, чем сам компрессор. Масло в строго определенном рассчитанном количестве подается в корпус компрессора принудительно масляным насосом, как правило, с индивидуальным электроприводом. После компрессора располагаются маслоотделитель (даже во фреоновых винтовых агрегатах) и затем маслоохладитель, отводящий теплоту, которую масло получило от сжатого газа в корпусе компрессора. В состав масляной системы входят также фильтры грубой и тонкой очистки, трубопроводная арматура, измерительные приборы.

Так же как и у поршневых компрессоров, для привода винтовых служит внешний либо встроенный в корпус электродвигатель. В последнем случае, в отличие от поршневых бессальниковых компрессоров, электродвигатель чаще всего охлаждается не всасываемым, а нагнетаемым газом, который нагревается гораздо слабее, чем в поршневых компрессорах, благодаря интенсивному охлаждению маслом. При этом из-за отсутствия перегрева на всасывании производительность компрессора увеличивается. Центробежные компрессоры относятся к компрессорам динамического типа. Давление (потенциальная энергия) повышается в них путем преобразования кинетической энергии разогнанного до большой скорости потока газа.

Рис. 2. Схема движения газа в ступени центробежного компрессора:

1 — вал, 2 — лопатка рабочего колеса, 3 — диски рабочего колеса; 4 — лопатка диффузора; 5 — обратный направляющий аппарат

Газ разгоняется в рабочем колесе, состоящем из двух дисков и расположенных между ними лопаток (рис. 2). В центре одного из дисков находится отверстие, через которое газ проникает к лопаткам, отбрасывающим его к периферии колеса. Затем газ продолжает движение через диффузор — расширяющийся канал, разделенный лопатками, либо гладкий, где по мере увеличения сечения потока газа снижается его скорость и, согласно закону Бернулли, повышается давление.

Если этого повышения давления оказывается достаточно, то газ, накапливаемый в сборной камере, поступает в нагнетательный трубопровод. В противном случае для дальнейшего повышения давления процесс повторяется во втором рабочем колесе. Поток из диффузора первого рабочего колеса попадает во всасывающее отверстие второго через специальные каналы, называемые обратным направляющим аппаратом, заставляющим газ двигаться от периферии к оси.

Рабочее колесо, диффузор и обратный направляющий аппарат (или сборная камера) составляют ступень центробежного компрессора. Конструктивно диффузоры и обратные направляющие аппараты выполняются в виде ряда диафрагм — неподвижных деталей дисковой формы (иногда составленных из двух полудисков), закрепленных в корпусе либо выполненных с ним заодно.

Повышение давления в ступени (степень сжатия) зависит от ряда факторов, в первую очередь от частоты вращения рабочих колес, а также от физических свойств сжимаемого газа, из которых важнейшим является плотность. У газов с большой плотностью, например у фреонов, степень сжатия значительная, поэтому фреоновые центробежные компрессоры имеют одно-два, редко больше, рабочих колеса, т. е. одну — две ступени. Аммиак же, который легче фреонов, имеет малую степень сжатия, поэтому аммиачные центробежные компрессоры обычно многоступенчатые (4—7 ступеней).

Все рабочие колеса располагаются на валу, образуя узел, называемый ротором, который приводится во вращение двигателем. В некоторых случаях, чтобы вал не был слишком длинным, колеса примерно поровну распределяют на два вала, при этом компрессор выполняют двухкорпусным.

Частота вращения ротора у современных центробежных компрессоров очень высокая, от 8 до 20 тыс. оборотов в минуту. Скорость газа при этом в рабочих колесах может превышать скорость звука.

Вращающийся ротор не соприкасается с диафрагмами, поэтому механическое трение в центробежных компрессорах отсутствует, за исключением трения в подшипниках вала (обычно это опорные и упорные подшипники скольжения), в которые принудительно подается смазочное масло. Так как подшипники расположены вдали от газового потока, масло, как правило, не попадает в нагнетательный патрубок, что является существенным достоинством центробежных компрессоров.

Давление газа перед рабочим колесом и за ним неодинаково. Разность давлений создает существенную осевую силу, действующую на подшипники. Для противодействия ей служит уравновешивающий поршень, как в винтовом компрессоре.

Внутри ступени и между ступенями возможны перетечки газа. С целью свести их к минимуму в местах возможных перетечек ставят лабиринтные уплотнения. Они представляют собой несколько (до десяти) гребешков, последовательно располагающихся на валу или на неподвижных деталях корпуса и почти касающихся (зазор состав­ляет 0,1—0,25 мм) противостоящей детали — корпуса либо вала. Гребешки создают значительное сопротивление перетекающему газу и сводят перетечки к минимуму.

Между ротором и двигателем, если он не является быстроходной турбиной или скоростным высокочастотным электродвигателем, находится мультипликатор — передача, повышающая частоту вращения ротора. Мультипликатор может располагаться отдельно от компрессора или быть встроенным в его корпус.

На рис. 3 изображен современный центробежный компрессор со встроенным мультипликатором и вертикальным разъемом корпуса. Диски диафрагм у него неразрезные, в отличие от компрессоров с горизонтальным разъемом корпуса.

Рис. 3. Двухступенчатый центробежный фреоновый холодильный компрессор: 1 – сальниковое уплотнение вала; 2 – мультипликатор; 3 – лопатка входного направляющего аппарата; 4 – пакет диафрагм; 5 – ротор; 6 – подшипник; 7 – уравновешивающий поршень; 8 – лабиринтные уплотнения

Возникающие при вращении рабочих колес центробежные силы создают значительные напряжении, поэтому колеса должны быть из особо прочных материалов. Обычно их изготовляют из высокопрочной легированной стали или специальных сплавов. Последние применяют в аммиачных центробежных компрессорах, где требуются особенно высокие скорости. Хорошо зарекомендовали себя сплавы на основе титана, хотя менее прочные, чем сталь, но зато гораздо более легкие, благодаря чему в них возникают намного меньшие, чем в стали, напряжения.

Наличие нескольких ступеней сжатия в центробежных компрессорах позволяет более гибко, чем в поршневых, строить холодильные циклы, поскольку имеется возможность отбирать газ после сжатия в промежуточных ступенях. Давление при этом также имеет промежуточные (между начальным и конечным) значения, что позволяет, например, получать холод в нескольких испарителях при различных температурах кипения. У компрессоров, предназначенных для работы в циклах с несколькими температурными уровнями, на корпусе имеются дополнительные патрубки для промежуточных отборов газа.

Производительность центробежного компрессора можно регулировать, изменяя частоту вращения ротора. Для этого нужен привод с изменяемой частотой вращения - турбина, специальный электродвигатель, мультипликатор с переменным передаточным числом. На практике чаще применяют стандартные односкоростные электродвигатели и нерегулируемые мультипликаторы. В этом случае для регулирования производительности обычно служит лопаточный входной направляющий аппарат перед рабочим колесом. Он состоит из равномерно расположенных по окружности лопаток, поворачивающихся с помощью того или иного привода относительно своей оси.

Производительность компрессора наибольшая, когда лопатки повернуты ребром к входящему в рабочее колесо потоку газа (как показано на рис. 3), т. е. когда поток скользит параллельно плоскостям лопаток. При одновременном повороте лопаток их плоскости образуют с направлением потока некоторый угол, поток газа перед поступлением в рабочее колесо закручивается, что приводит по законам аэродинамики к снижению производительности компрессора. Причем она тем меньше, чем больше угол поворота лопаток.

С основами теории и расчета компрессоров разных типов можно ознакомиться в специальной литературе.

Список литературы

1. Винтовые компрессорные машины: Справочник / П. Б. Амосов, Н. И. Бобриков. А И. Шварц, Ф. Л. Верный. Л.: Машиностроение, 1977.

2.Сакун И. А. Винтовые компрессоры. Л.- Машиностроение, 1970.

3.Холодильные компрессоры: Справочник / Под ред. А. В. Быкова. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981.

4.Центробежные компрессорные машины / Ф. М. Чистяков, В. В. Игнатенко, Н Т. Романенко, Е. С. Фролов. М.: Машиностроение, 1969.

5.Чистяков Ф. М. Холодильные турбоагрегаты. М.: Машиностроение, 1967.

Тема 9

Дата добавления: 2014-01-04