Компрессоры широко применяются почти во всех отраслях промышленности. В химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей отраслях промышленности компрессоры входят в состав технологических линий, систем вентиляции и кондиционирования воздуха, вспомогательных систем обеспечения искусственным холодом и пневматической энергией и др. [1]. Они классифицируются по ряду характерных признаков.
По принципу действия компрессоры подразделяются на объемные и лопастные (турбокомпрессоры). К объемным компрессорам относятся поршневые, роторные (винтовые, пластинчатые, жидкостно-кольцевые и др.). К лопастным компрессорам относятся радиальные (центробежные), осевые, радиально-осевые (диагональные). Компрессоры различных типов отличаются разнообразием конструкций, различными диапазонами производительности (подачи), мощности и давления.
Винтовые компрессоры имеют существенные преимущества по сравнению с поршневыми и центробежными, что обусловлено принципом их действия и устройством:
небольшая масса и габаритные размеры компрессора;
высокие коэффициенты подачи и КПД в широком диапазоне степени повышения давления сжатия;
экономичное и плавное регулирование производительности;
возможность сжатия двухфазных сред, например холодильного агента, и масла без ухудшения характеристик, малая чувствительность к присутствию в газе загрязнений;
полная уравновешенность роторов, позволяющая применять более легкие фундаменты, высокая виброустойчивость, надежность в работе;
простота обслуживания и полная автоматизация, дающие возможность применять схемы с дистанционным управлением;
отсутствие потерь на дросселирование, а также трения между роторами и корпусом и др.
Кроме того, по сравнению турбокомпрессорами производительность винтовых компрессоров можно регулировать в широких пределах без возникновения неустойчивого режима, применять любые рабочие вещества независимо от их молекулярной массы. В винтовых компрессорах степень повышения давления пара практически не зависит от скорости вращения роторов, безопасно сжатие газов с большим содержанием жидкости.
К недостаткам винтовых компрессоров следует отнести сложность изготовления роторов и их монтажа, повышенный шум, а также высокую стоимость.
Уровень шума можно значительно снизить, установив на приводном электродвигателе акустические фильтры и глушители.
Винтовые компрессоры делятся на две основные группы: компрессоры мокрого сжатия (маслозаполненные) и компрессоры сухого сжатия.
Компрессоры обеих групп по принципу действия аналогичны, однако они имеют свои особенности. В маслозаполненном компрессоре в полость сжатия впрыскивают масло, которое охлаждает и уменьшает шум при работе компрессора. В связи с подачей значительного количества масла (обычно 7-10 л на 1 м3 сжимаемого газа) в маслозаполненные компрессоры степень сжатия в них достигает 20.
В компрессорах сухого сжатия рабочая полость отделяется от подшипников уплотнением, и масло не попадает в неё. Сжимаемый газ не уносит с собой частицы масла, поэтому отпадает необходимость в системе маслоотделения, улучшаются условия эксплуатации теплообменной аппаратуры, уменьшаются их габаритные размеры благодаря более интенсивному теплообмену чистых поверхностей по сравнению с теплообменом поверхностей, загрязненных маслом.
Зазоры на компрессорах сухого сжатия примерно вдвое больше, чем у маслозаполненных, что обусловлено температурным расширением роторов, в связи с чем перетечки сжатого газа более значительны.
В компрессорах сухого сжатия во избежание чрезмерного высокой температуры нагнетаемых газов степень сжатия не превышает 5. Особенностью этих компрессоров является сравнительно сложное уплотнение вала ротора, что уменьшает жесткость роторов и увеличивает зазоры между ними и корпусом.
В последние годы ведущие компрессоростроительные фирмы промышленно развития стран мира разработали, запатентовали и выпускают новые винтовые компрессоры, отличающие высокими технико-экономическими показателями.
Отличается простотой разборки, сборки и обслуживания, а также возможностью присоединения дополнительных ресиверов различных объемов воздушная компрессорная установка фирмы CompAir Drucklufttechnick GmbH (Германия) [2]. Установка состоит из винтового маслозаполненного компрессора 9 (рис. 1.) и ресивера 4, соединенных с помощью фланцевого соединения. Сжатый воздух поступает после компрессора 9 в ресивер 4 по трубе 6, а затем через трубку 5 в маслоотделитель 3, откуда очищенный от масла воздух через патрубок 1 выдается потребителю. Масло из ресивера 4 и маслоотделителя 3 возвращается по каналам А и Б через фильтр 2 в винтовой компрессор 9. В компрессорной установке предусмотрен регулятор температуры масла 7 и специальный масляный холодильник 8.
Рис. 1 Воздушная компрессорная установка с винтовым маслозаполненным компрессором
Стационарные винтовые воздушные маслозаполненные компрессоры, выпускаемые ООО "Акрон" (Россия) [3], предназначены для обеспечения сжатым воздухом устройств на промышленных предприятиях. Их применение возможно на взрывопожароопасных и химически опасных производствах. Модульный принцип построения компрессоров позволяет легко адаптировать их к конкретным условиям эксплуатации. Привод компрессоров осуществляется электродвигателями мощностью 18; 22; 30; 37 м 45 кВт. Давление нагнетания компрессороров - 0,7; 1,0; 1,3 МПа. Компрессоры отличаются экономичностью и надежностью работы, а также высокой степенью унификации конструктивных узлов.
Компания ЕКОМАК Compressor (Турция) объединяет группу заводов по производству экономичных воздушных винтовых маслозаполненных компрессоров [4]. В комплект поставки компрессоров потребителю входят: осушители сжатого воздуха, воздушные фильтры, ресиверы, масляные фильтры, влагоотделители, маслоотделители и другие комплектующие изделия.
Снижение затрат на производство сжатого воздуха обеспечивается применением винтовых маслозаполненных компрессоров серии FLEX, выпускаемых фирмой ALMIG (Германия), подача которых от 0,13 до 4,24 м2 /мин точно соответствует фактической потребности [5]. Регулируемые по частоте вращения с пониженным потреблением электроэнергии приводные электродвигатели компрессоров имеют мощность 2,2 - 30 кВт и КПД в диапазоне 0,90÷0,95, отличаются компактностью и небольшой материалоемкостью.
Фирма Mayekawa Mfg. Co. Ltd. (Япония) запатентовала простую конструкцию механизма ручного плавного регулирования производительности винтовых компрессоров изменением степени заполнения рабочего объема компрессора [7]. Регулируется производительность компрессора при помощи золотника 5 (рис. 2.), который находиться в корпусе 6 и своей формой представляет собой часть поверхности расточки корпуса компрессора. Золотник 5 перемещается при вращении шпинделя 8, имеющего резьбу, с помощью маховика 9. Фиксация золотника 5 в определенном положении обеспечивается с помощью стопорного болта 19.
Рис. 2 Механизм ручного плавного регулирования производительности винтовых компрессоров
На бывшем заводе "Шкода" (Чехия) выпускаются винтовые маслозаполненные компрессоры серии ET-Compressors в стационарном исполнении с приводными электродвигателями мощностью от 2 до 220 кВт [8]. Кроме стационарных моделей в этой серии выпускаются передвижные винтовые компрессоры с приводом от двигателей внутреннего сгорания, которые эксплуатируются на открытом воздухе. Передвижные компрессоры оборудованы системами запуска двигателей в холодную погоду и легко запускаются при температуре до -20°C. Для работы при боле низких температурах возможна поставка передвижных компрессоров в специальном исполнении. Компрессоры серии ET-Compressors отличаются надежностью, долговечностью, стабильностью рабочих характеристик в течение всего срока службы. Высокое качество этих компрессоров подтверждается двухлетней гарантией на все модели и соответствием международному стандарту качества ISO 9001.
Компактную моноблочную конструкцию, небольшую массу и низкую стоимость изготовления имеет электрокомпрессорный агрегат, состоящий из винтового маслозаполненного воздушного компрессора и приводного электродвигателя [9]. Ведущий ротор компрессора 3 (рис. 3) изготавливают с выпуклыми зубьями, ведомый 5 - с вогнутыми.
Рис. 3 Профили роторов и приводного двигателя винтового маслозаполненного компрессора
Соотношение чисел зубьев - 4:6. Такое соотношение дает возможность сохранить одинаковые диаметры роторов и примерно равную их жесткость, что важно для уменьшения зазоров между роторами и корпусом и соответственно для высокой степени герметичности компрессора в целом. Роторы 3, 5 и статор 4 выполнены из магнитного материала. Через катушки (1, 7 и остальные) последовательно проходит электрический ток, и их сердечники притягивают зубья роторов, заставляя роторы вращаться. Пластмассовые вкладыши 2, 6 придают статору 4 необходимую форму. Угол между катушками составляет половину угла между зубьями.
Фирма CompAir GmbH (Германия) выпускает удобный в эксплуатации высокоэкономичный винтовой маслозаполненный компрессор марки L80 [10] с приводным электродвигателем мощностью 75 кВт. Электроприводной компрессор оборудован электронной системой управления, которая позволяет получать необходимое количество сжатого воздуха при меньших затратах электроэнергии. Уровень шума в 69 дБА позволяет устанавливать компрессор в производственном помещении.
Фирма Hokuetsu Ind. Co., Ltd. (Япония) запатентовала в США конструкцию технологичного в изготовлении и дешевого в производстве составного ротора для винтового компрессора [11]. Ротор состоит из отдельных металлических валов 1, 3, 4(рис. 4).
Рис. 4 Составной ротор для винтового компрессора
Одинаковые по размерам концы центрального вала 4 имеют посадочные диаметры Б, В, выполненные несколько большими по сравнению с посадочными диаметрами Е, Д расточек разных по размерам подшипниковых валов 1, 3 для обеспечения прессовой посадки. Вокруг средней части центрального вала 4 находится винтозубая полимерная рубашка 2.
Полимерный материал рубашки 2 и металл центрального вала 4 подбирают таким образом, чтобы они имели близкие температурные коэффициенты линейного расширения. Сверления А, Г, выполняющие роль центров для токарной обработки подшипниковых валов 1, 3, используются для выхода воздуха при сборке составного ротора и при повышении его температуры после пуска компрессора. Отдельные части составного ротора унифицированы, что позволяет собирать различные по размерам роторы для винтовых компрессоров, детандеров, пневмодвигателей и т.д.
Фирма Hitachi Appliances Inc. (Япония) выпускает винтовые компрессоры с приводными электродвигателями мощностью 75,98 125 кВт [12]. Электроприводные винтовые маслозаполненные компрессоры используются в системах кондиционирования воздуха, отличаются высоким адиабатным КПД и состоят из двухроторного винтового компрессора, приводного электродвигателя, центробежного маслоотделителя-сепаратора и клапана регулирования подачи компрессора. Воздух, поступающий в компрессор, проходит через приводной электродвигатель, охлаждая его, тем самым повышая ресурс его работы.
Воздушные винтовые маслозаполненные компрессоры серии VARIABL фирмы ALMIG GmbH (Германия) [13] предназначены для использования в тех случаях, когда потребление сжатого воздуха меняется во времени. Серия VARIABL винтовых компрессоров состоит из 17 моделей с приводными электродвигателями мощностью16-315 кВт, давлением нагнетания воздуха 0,5-1,3 МПа и подачей 0,49-56,1 м2 /мин
Высокий эффективный КПД имеет двухроторный винтовой воздушный компрессор сухого сжатия [14]. Ведущий ротор 9 (рис. 5) с трехзаходной винтовой нарезкой зубьев и ведомый ротор 1 с четырехзаходной нарезкой (соотношение чисел зубьев 3:4) имеют по длине два отрезка зубчатой части.
Рис. 5 Винтовой компрессор сухого сжатия
На первом отрезке со стороны всасывания на роторах нарезаны винтовые зубья 7 и 3 с увеличенным шагом, а со стороны нагнетания на роторы насажены втулки 6 и 4 с винтовыми зубьями, нарезанными с меньшим шагом. Замыкание рабочих камер компрессора осуществляется без участия торцевых стенок корпуса 5. При работе компрессора винтовые зубья роторов 9 и 1 не соприкасаются между собой, что достигается установкой на роторах синхронизирующих шестерен 10, 11. Начальный участок А каждого винтового зуба профилируется заостренным под определенным углом с целью создания конфузорных впадин на данном участке. В смежных расточках корпуса 5 перед роторами 9 и 1 крепятся с минимальным осевым зазором два осевых направляющих лопаточных аппарата 8 и 2, обеспечивающих плавную закрутку потока воздуха в конфузорные участки винтовых впадин между зубьями роторов.
Для предотвращения попадания смазки (масла) из уплотненного пространства между подшипниками в рабочую полость винтового компрессора сухого сжатия фирмы Denso Corp. (Япония) при остановке (стоянке) в наружной стенке корпуса компрессора образована ниша, соединенная с одной стороны сверлениями с вышеупомянутым пространством, а с другой стороны с атмосферой через продувочное отверстие [15]. В этой нише расположен клапан, который при нормальной работе компрессора закрывает продувочное отверстие, а при остановке компрессора открывает его, благодаря чему в зоне смазки подшипников устанавливается атмосферное давление.
Новые винтовые компрессоры сухого сжатия серии ZR/ZT с встроенными осушителями воздуха серии IND выпускает фирма "Атлас Копко" (Германия) [16]. Эти винтовые компрессоры позволяют получить с минимальными затратами энергии осушенный сжатый воздух с температурой точки росы - 40 С. Конструкция осушителя воздуха серии IND адсорбционного типа содержит барабан, заполненный адсорбентом, медленно вращающийся электродвигателем мощностью 120 Вт, тем самым для регенерации адсорбента подходит каждый раз новая зона поверхности барабана. Три четверти поверхности барабана работают в режиме адсорбции (осушают сжатый воздух), а одна четверть поверхности барабана в режиме регенерации(восстанавливает поглотительные свойства адсорбента к влаге). Сжатый воздух ещё в компрессоре разделяется на два потока. При этом большая часть сжатого воздуха (примерно 75%) через концевой охладитель воздуха компрессора поступает в зону осушки вращающегося барабана и далее идет в пневмосеть. Другая часть сжатого воздуха (примерно 25%), минуя концевой охладитель идет сразу во вращающийся барабан для регенерации адсорбента. Эта часть горячего воздуха испаряет влагу из барабана с адсорбентом, затем охлаждается, проходит через влагоотделитель и смешивается с основным потоком охлажденного воздуха, идущим на осушку. Пройдя через зону осушки вращающегося барабана объединенный поток направляется в пневмосеть. Для того чтобы обеспечивать необходимую температуру воздуха, идущего на регенерацию адсорбента, на входе в барабан установлен небольшой нагреватель воздуха, который включается автоматически, если необходимо повысить температуру горячего воздуха.
Профиль зубьев двухроторного винтового компрессора сухого сжатия фирмы Tijin Seiki Co., Ltd. (Япония) [17] отличается наличием дополнительных боковых частей В (рис. 6) на роторе 1 и Ж на роторе 2 с диаметром цилиндрической поверхности, равным диаметру делительной окружности.
Рис. 6 Винты двухроторного винтового компрессора сухого сжатия
При изготовлении и сборке винтового компрессора в этих местах достигается наименьший зазор между смежными поверхностями сопрягаемых винтовых зубьев, т.е между цилиндрическими поверхностями А и И, Д и К и наклонными поверхностями Б и З и Г и Е. Вследствие температурного расширения роторов 1, 2 во время работы винтового компрессора происходит сближение поверхностей сопрягаемых зубьев и затем обоюдная обкатка роторов по цилиндрическим поверхностям В и Ж, что исключает возможность их задира и заклинивания при дальнейшем нагреве из-за возникающего трения скольжения в местах контакта, а также снижает перетечки сжимаемого газа через зазоры между роторами.
Рассмотренные конструкции винтовых компрессоров мокрого и сухого сжатия и их элементов не исчерпывают всего многообразия конструктивных решений.
Совершенствования конструкций винтовых компрессоров для химических, нефтехимических, нефтеперерабатывающих и других производств - непрерывный процесс, являющийся составной частью технического процесса.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Калекин В.С. Компрессорная техника в химической промышленности, состояние и перспективы// Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2008, №9, с 23-26
2. Заявка на пат.10033154 Германия МПК F04С 18/16 Установка с воздушным винтовым компрессором. Опубл. 27.09.2002.
3. Кошкодаев А.Ю., Зуева И.В. Винтовые компрессоры "Акрон" //Компрессорная техника и пневматика, 2002. № 7, с. 18-24
4. Логинов А.И. Десять преимуществ компрессора ЕКОМАК //Техномир, 2007, № 3, с.46-47
5. Inteligente Kompressor- Motorentechnologie.// Wekst. Fextig., 2008, №3, s.24
6. Die kleinen drehzahlgezegelten Energiesparer// Produktion, 2007, № 26, s.25
7. Пат. 7165947 США. МПК F04В 43/12. Винтовой компрессор с ручным регулированием объёмного отношения. Опубл. 23.01.2007.
8. Компрессоры и электростанции под торговой маркой ET// Техномир, 2006, №4, с. 70-71.
9. Заявка на пат. 10042545 Германия. МПК F 04C 18/16. Компактный агрегат "мотор-компрессор". Опубл. 14.03.2002.
10. Mehr Druckluft mit weniger Energie.// Produktion, 2007,№ 26, c.27.
11. Пат. 6139298 США МПК F04C 29/00. Структура составного ротора для винтовых машин. Опубл. 31.10.2000.
12. Kato Eisuke. Разработка крупного винтового компрессора для системы кондиционирования воздуха// Reito=Refrigeration, 2007, №956, p/30-31
13. Energiesparende Kompressoren// Werkst. Ferlig., 2008, № 3, с. 24-25
14. Пат. 31579 Украина. МПК F04С 18/16. Винтовой компрессор с разношаговой нарезкой винтовых зубьев на роторах/ В.П. Сотников. Опубл. 15.12.2000.
15. Пат. 7296983 США. МПК F03C 2/00 Винтовой компрессор с устройством, предотвращающим протечки масла. Опубл. 20.11.2007.
16. Коробко Д. И. Мировая новинка от "Атлас Копко" - безмаслянный компрессор со встроенным осушителем адсорбционного типа //Пищевая промышленность (Россия),2008, №6, с. 54-55.
17. Пат. 6386848 США МПК F03С Роторы винтовой машины. Опубл. 14.05.2002.
Автор: Владислав Буренин, Кафедра транспортных установок МАДИ К.т.н., профессор
