Роторно-лопатевий компресор (РЛК)

1.2.1. Загальна характеристика компресора

1. Однороторний.

2. Стиск здійснюється за рахунок зміни робочого об'єму.

3. Постійний ступінь стиску; при одній ступені ступінь стиску дорівнює 1, 5 ÷ 5.

4. Продуктивність від 5 до 10000 м³/годину.

5. Число обертів ротора від 300 до 3000 об/хв.

1.2.2. Конструкція і принцип дії poтоpно-лопатевого компресора

Рис 1 Конструкція роторно-лопатевого компресора.

 

1. Циліндр, 2. Ротор, 3. Пази в роторах, 4. Пластини, 5. Порожнина усмоктування, 6. Нагнітальний патрубок, 7. Водяна сорочка.

 

Роторно-лопатевий компресор складається (рис.1) з: циліндра з бічними кришками, у яких ексцентрично щодо осі циліндра розміщаються втулки підшипників качіння. У цих підшипниках встановлюється ротор компресора з пазами для розділових лопатей (пластин). Пази можуть бути радіальними, але звичайно вони розташовуються під нахилом до радіуса ротора (убік його обертання) для запобігання заклинювання пластин і підвищення енергетичних показників компресора.

Таким чином між внутрішньою поверхнею циліндра і зовнішньою

поверхнею ротора в компресорі утворюється серповидна робоча порожнина.

При обертанні ротора під дією відцентрових сил пластини викидаються з пазів до упора об внутрішню поверхню циліндра. Ці пластини виконують зворотно-поступальний рух у пазах і поділяють серповидний простір на сектори, число яких дорівнює числу розділових пластин.

При роботі компресора ці сектори змінюють свої об’єми. Ця зміна об’єму елементарних робочих просторів, обмежених пластинами, використовується для здійснення робочого процесу компресора (усмоктування, стиск і нагнітання).

На значному куті повороту вала, близькому до 180 °, здійснюється усмоктування, потім - стиск і нагнітання. Цим процесам відповідають кути: и

На індикаторній діаграмі компресора (рис. 2) відображені елементи його робочого процесу.

Рис. 2. Індикаторна діаграма роторно-лопатевого компресора:

1-2 - усмоктування; 2-3 - стиск; 3-4 - нагнітання; 4-1 - розширення газу, що залишився в мертвому просторі.

1.2.3. Описаний об’єм і продуктивність роторно-лопатевого компресора

Розглянемо схему РЛК, що приведена на рис. 3 [1].

 

 

Рис 3. Схема для приблизного розрахунку об’ємної продуктивності роторно-лопатевого компресора.

r = R - e, де R - радіус циліндра, e - ексцентриситет, r - радіус ротора.

кут між двома пластинами, де - число пластин..

де ρ - поточний радіус виходу пластини з паза ротора.

Об’єм, описаний РЛК

де L - довжина циліндра, м;

n - частота обертання вала, с^-1;

тому що. , то одержимо

- об’єм, описаний РЛК

Розглянемо трикутник .

З цього трикутника можемо визначити, чому дорівнює :

;

тому що

Підставимо ці значення и у вираження для . Одержимо

об’єм, описаний РЛК, без урахування товщини пластин -

З урахуванням товщини пластин формула прийме вид:

де - товщина пластини.

У момент повного заповнення газом елементарних обсягів між пластинами =0.

Значить при тиску усмоктування теоретична продуктивність РЛК дорівнює:

Дійсна продуктивність РЛК, приведена до параметрів газу в порожнині усмоктування, визначиться вираженням:

Коефіцієнт подачі λ може бути приблизно розрахований по формулі:

,

для компресорів малої продуктивності - 0, 10;

для компресорів великої продуктивності - 0, 05.

1.2.4. Геометричні співвідношення елементів роторно-лопатевого компресора

Ці геометричні співвідношення запишемо у виді таблиці.

Ступінь стиску компресора, ε	Радіус ротора r / R	Ексцентреситет e / R	Ширина пластини в / D	Довжина Циліндра l / D
1, 5-2	0, 87	0, 12-0, 14	0, 27	1, 6÷ 2, 5
2-5	0, 885	0, 115	0, 22	1, 6÷ 2, 5

1.2.5. Розділові пластини. Число обертів вала КМ

У сучасних компресорах число пластин доходить до 20-30 шт. Вони виконуються сталевими, чавунними, графітовими чи пластмасовими. Товщина пластин =1 ÷ 3 мм, = 6 ÷ 12 мм.

Збільшуючи число пластин забезпечуємо наступні достоїнства компресорів:

- через зменшення перепадів тиску в сусідніх осередках зменшуються втрати на протікання, зростає коефіцієнт подачі , а відповідно збільшується ;

- через зменшення тиску, що діє на виступаючу частину пластини, зменшується згинальний момент, зменшується кут заклинювання пластини в пазу і знижується імовірність її заклинювання в пазу ротора. У результаті збільшується надійність компресора.

- збільшується внутрішній ступінь стиску компресора при тім же куті стиску.

При збільшенні числа пластин виникають наступні недоліки компресора:

- зростає число деталей;

- підвищується складність компресора;

- зростають втрати на тертя;

- погіршуються енергетичні показники;

- зростають втрати обсягу і зменшується дійсна

продуктивність .

Припустиме число обертів компресора будемо визначати з вираження:

При сталевих пластинах гранично припустима швидкість кінця пластини обмежується величиною 18-20 м/с.

Тоді:

Якщо виконувати компресор з більшою швидкістю , то втрати на тертя суттєво зростуть. Тому втрати на тертя потрібно зменшувати такими конструктивними заходами:

1. профілювання торцової поверхні пластини (рис. 4);

2. використання розвантажувальних кілець (рис. 5).

Якщо хочемо зробити машину з більш високою швидкістю і більш високим числом обертів , потрібно передбачити в конструкції компресора розвантажувальні кільця (див. малюнок).

Рис. 4. Схема профілювання торцової поверхні пластини РЛК.

Rм - реакція масляного шару;

Rr - радіальна складова реакції;

Rτ - тангенціальна складова реакції.

У цьому випадку пластини, виходячи з пазів, упираються в

розвантажувальні кільця, у результаті їхнє тертя об внутрішню поверхню циліндра виключається, розвантажувальні кільця, що захоплюються пластинами, обертаються зі швидкістю, близькою до швидкості обертання вала, а їхнє тертя в кільцевих пазах невелике завдяки подачі мастила в кільцеві пази.

 

Рис. 5. Конструкція роторно-лопатевого компресора з розвантажувальними кільцями.

1.2.6. Внутрішній та зовнішній ступінь підвищення тиску роторно-лопатевого компресора

Стиск газу в елементарному робочому просторі відбувається за законом

тобто

,

де - показник політропи процесу стиску;

V ₁ – продуктивність компресора при умовах усмоктування;

- продуктивність компресора при умовах кінця стиску;

Звідси - внутрішній ступінь підвищення тиску постійний для конкретної конструкції компресора

Тоді

Залежність внутрішнього ступеню підвищення тиску компресора від кута зобразимо графічно (рис. 6).

Рис. 6. Залежності ступеня внутрішнього підвищення тиску ε

від вугла стиску α _ст роторно-лопатевого компресору при різних показниках n.

Чим вище показник політропи , тим менше ми можемо робити кут α _ст для забезпечення однієї і тієї ж величини ε;.

Внутрішній ступінь підвищення тиску ε - це відношення тиску в робочій порожнині компресора в момент її з'єднання з нагнітальною порожниною Р_2ц до тиску усмоктування Р₁. Зовнішній ступінь підвищення тиску ε _зв - це відношення тиску в порожнині нагнітання P_2н компресора до тиску усмоктування Р₁.

Розглянемо три випадки роботи компресора (рис. 7).

Рис.7. Індикаторні діаграми роторно-лопатевого компресора при різних ступенях внутрішнього підвищення тиску:

а - Р_2ц = Р_2н : 1-2 - усмоктування; 2-3 – стиск, 3-4 – нагнітання;

б - Р_2ц > Р_2н: 1-2- усмоктування; 2-3 –стиск; 3-4- вихлоп; 4-5 - нагнітання; площа а-3-4 - втрати роботи;

в - Р_2ц < Р_2н: 1-2 - усмоктування; 2-3 - стиск; 3-4 – наддування; 4-5- нагнітання; площа площа 3-4-3^' – втрати роботи..

Недолік роторно-лопатевого компресора: постійна величина внутрішнього ступеня підвищення тиску ε, визначена конструктивними параметрами компресора, обумовлює втрати роботи у тих випадках, коли

ε ≠ ε _зв..

 

1.2.7. Робота і потужність роторно-лопатевого компресора

Зобразимо графічно політропічний процес стиску РЛК (рис. 8).

Рис. 8. Схема для розрахунку роботи теоретичного стиску роторно-лопатевого компресору.

 

Робота теоретичного стиску l _т дорівнює;

Ця формула справедлива, якщо внутрішня робота стиску дорівнює зовнішньої, тобто

Р_2ц = Р_2н

Нехай Р_2ц < Р_2н

Площа 12345 еквівалентна роботі, у цьому випадку робота теоретичного стиску l _т дорівнює:

.

Якщо Р_2ц > Р_2н, то робота теоретичного стиску l _т визначиться з вираження:

Індикаторна потужність роторно-лопатевого компресора

N_і = Gl_Т,

де G – масова продуктивність компресора.

Ефективна потужність

де _мех – механічний ККД компресора;

_мех = 0, 6 ÷ 0.8

_мех = 0, 6 - дійсно для малих компресорів;

_мех = 0, 8 - дійсно для великих компресорів.

Електрична потужність компресора:

N_e = (1, 1 ÷ 1, 15) N_э.

1.2.8. Методи регулювання продуктивності роторно-лопатевого компресора

1. Регулювання продуктивності шляхом зміни частоти обертання вала компресора.

Таке регулювання можливе:

а) якщо привід здійснюється від електродвигуна постійного струму комутативного типу. Але через низький ККД, високу вартість і низьку надійність такі двигуни застосовуються рідко;

б) якщо як привід застосовується електродвигун перемінного струму з короткозамкнутим ротором з перемінним числом полюсів, можливо ступеневе регулювання числа обертів валу. Але такий двигун має великі габарити і високу вартість, тому рідко застосовується;

в) якщо як привід застосовується бензиновий двигун внутрішнього згоряння (для малих компресорів) або дизель (для великих пересувних компресорів). У цьому випадку легко здійснити таке регулювання продуктивності компресора, змінюючи швидкість обертання вала, в межах 30% - для ДВЗ і 50% - для дизеля;

г) якщо як привід застосовується електродвигун перемінного струму з короткозамкнутим ротором, забезпечений перетворювачем частоти перемінного струму. Таке регулювання числа обертів найбільш сучасне, экономичне і зручне, але вимагає наявності перетворювачів частоти струму, ціна яких досить значна і може співрозмірною з ціною компресора.

Цей метод регулювання продуктивності для РЛК менш вигідний.

Зменшення числа обертів вала РЛК приводить до зниження продуктивності компресора без зменшення абсолютних величинах втрат від перетікань через нещільності.

У результаті зниження числа обертів вала РЛК супроводжується збільшенням відносних втрат продуктивності від перетікань і зниженням його енергетичної ефективності.

Крім того, зменшення числа обертів вала не повинно приводити до значного зменшення відцентрової сили, що притискає пластини до поверхні циліндра, і зниження щільності в цих сполученнях. У РЛК зі сталевими пластинами їхня окружна швидкість, наприклад, не повинна знижуватися до величин менших, ніж до 7 м/сек. Тому зменшення швидкості обертання вала РЛК звичайно припустиме не більш, ніж на 50-60% від номінальної швидкості.

2. Регулювання продуктивності шляхом автоматичного включення і вимикання компресора.

Цей метод простий і легко здійснимий, але в цьому методі є недоліки:

- потрібний значний ресивер, тому що при його відсутності часті зупинки і включення компресора можуть привести до перегріву пускових обмоток електродвигуна і його згоряння.

- при зупинці компресора відбувається нерівномірне охолодження його деталей і може відбутися заклинювання деталей КМ.

Заходи для запобігання виходу компресора з ладу:

- потрібно вводити підвищені зазори в сполученнях деталей, що погіршує енергетику компресора;

- доцільно автоматизувати подачу охолоджуючої води для забезпечення більш рівномірного охолодження деталей компресора.

3. Регулювання продуктивності роторно-лопатевого компресора шляхом перекриття вентиля на усмоктувальному трубопроводі.

Це найбільш часто застосовуваний і енергетично вигідний для PЛК метод регулювання продуктивності [1]. Він полягає в тім, що на усмоктувальному патрубку КМ знаходиться соленоїдний вентиль, з'єднаний з датчиком тиску на нагнітанні КМ. При підвищенні тиску нагнітання соленоїдний вентиль перекривається й одночасно нагнітальна порожнина компресора (відділена від нагнітального трубопроводу зворотним клапаном) автоматично з'єднується з порожниною усмоктування чи атмосферою (див. Рис. 9).

Рис. 9. Індикаторна діаграма роторно-лопатевого компресора при нормальній роботі (1-2-3-4) і при регулюванні продуктивності перекриттям вентиля на усмоктуванні (5-6-7-8).

 

Індикаторна діаграма нормально працюючого РЛК 1234 при такому регулюванні здобуває вид 5-6-7-8, тому що на нагнітанні компресора встановлюється тиск компресора Р₁. По лінії 5-6 йде процес політропічного розширення газу, що залишився в мертвому об'єму, до V₁, потім відбувається його стиск (лінія 6-7) до об'єму V₂, миттєве стрибкоподібне підвищення тиску 7-8 до тиску Р₁ і виштовхування газу при цьому ж тиску 8-5. Якщо процеси розширення 5-6 і стиску 6-7 відбуваються при однакових показниках політропи, то ці лінії повинні збігатися на індикаторній діаграмі. Але тому що ці процеси супроводжуються значними протечками по торцях ротора, процеси 5-6 і 6-7 на діаграмі не збігаються.

Заштрихована площа діаграми 5678 еквівалентна індикаторній роботі РЛК при такому регулюванні його продуктивності. Цей метод регулювання можливо здійснювати як автоматично, так і примусово за допомогою спеціального важеля. Цей метод легко здійснимий, не приводить до пусків-зупинок компресора, знижуючи в той же час споживану потужність компресора. Тому його можна вважати оптимальним для РЛК, особливо середньої і великої продуктивності,

4. Метод дроселювання на усмоктуванні.

Метод простий, легко здійсним, не приводить до збільшення ступеня внутрішнього підвищення тиску (на відміну від поршневих компресорів), супроводжується наддуванням на нагнітанні. Трохи зростає споживана потужність компресора при зменшенні його продуктивності, а також підвищується температура нагнітання компресора.Може бути застосован для повітряних і холодильних компресорів.

5. Метод розширення стисненого газу перепуском у робочу порожнину.

Цей метод передбачає наявність спеціального соленоїдного вентиля на лінії перепуску стиснутого газу з порожнини нагнітання в елементарний робочий об'єм КМ між двома пластинами, що уже відсічений від порожнини нагнітання, але ще не з'єднався з порожниною усмоктування (у якій відбувається розширення газу, що залишився в мертвому обсязі). Привід соленодного вентиля здійснюється від датчика тиску на нагнітанні. Газ, що трапляє в робочий обсяг КМ, може розширюватися і віддавати частину роботи, витраченої на його стиск.

При перепуску газ попередньо охолоджується, що запобігає перегрів компресора.

Метод простий, енергетично вигідний і дозволяє змінювати продуктивність РЛК у межах від 100% до 50%.

Примітка.

Якщо ми маємо справу зі споживачем, у якого потреби в стиснутому газі змінюються різко і часто, то варто установити паралельно кілька компресорів одного типу, що можуть відключатися і включатися в різних сполученнях.