Спіральний компресор

1.7.1.Конструкція і принцип дії компресора

 

Рис. 28. Конструкція спірального компресора

 

 

Рис.29. Послідовні фази руху рухомої спіралі при орбітальних кутах 0, π /2, π, і 3р/2.

У жовтні 1905 р. Leon Creux одержав в США перший патент на спіральний компресор. Проте про промислово придатний спіральний компресор вперше було оголошено фірмою Arthur D.Little, Inc. на конференції в Пардью університеті (США) тільки в 1976. Першим спіральним компресором прийнято рахувати компресор, встановлений в повітряному кондиціонері японської фірми Hitachi Ltd.

 

Рис.30. Принцип дії муфти Ольдгейма.

Спіральний компресор має дві спіралі: одну нерухому (рис.28) і другу – рухому, має орбітальне обертання, при якому осі X і У цієї рухомої спіралі завжди залишаються паралельними тим же осям нерухомої спіралі. В цьому випадку рухома спіраль обкачуються по нерухомій. Між спіралями утворюються камери. На рис.29 показані послідовні фази руху рухомої спіралі при орбітальних кутах 0, π /2, π, і 3р/2. Як видно з рис.29, об'єм камер, утворених спіралями, що обкачуються, зменшується. Цей ефект і використовується для стиснення і нагнітання газів.

Всмоктування газу в спіральний компресор відбувається з периферії. Процес всмоктування закінчується, коли спіралі знаходяться в положенні, показаному на рис.29а, тобто коли робоча (на малюнку затемнена) порожнина відділяється від порожнини всмоктування.

Нагнітання здійснюється через канал, виконаний в центральній частині диска з нерухомою спіраллю.

Рис.31. Конструкційна схема спірального компресора:

1 – всмоктуючий патрубок, 2 – нагнітальний патрубок, 3 – нерухома спіраль, 4 – рухома спіраль, 5 – корпус компресора, 6 – проміжний рухомий диск муфти Ольдгейма, 7 – ексцентриковий вал.

 

Орбітальний рух рухомої спіралі забезпечується спеціальними механізмами. Найвідоміший такий механізм – муфта Олдгейма, принцип дії якої пояснений на рис.30. Муфта складається з проміжного рухомого 2 і основного нерухомого 1 дисків і орбітально рухомого диска 3 із закріпленою на ньому спіраллю 3 з.

На проміжному рухомому диску 2 є чотири попарно перпендикулярних один одному виступу: 2 а з одного боку і 2 в з іншою. На диску 1 є два пази 1 а, в які входять виступи 2 а рухомого диска. Інші два виступи 2 в рухомого диска 2 входять в пази 3 в орбітально рухомого диска 3 на якому закріплена (або виконана за одне ціле) рухома спіраль 3 з. При обертанні диска 1, який закріплений на валу компресора, рухома спіраль скоюватиме лише орбітальний рух, оскільки її обертанню навколо свого центру перешкоджатиме пересувний диск 2 муфти, який може тільки ковзати своїми виступами 2 а уздовж пазів 1 а, виконаних в нерухомому диску 1.

Конструкційна схема спірального компресора показана на рис.31.

В даний час спіральні компресори випускаються не тільки для холодильних машин, але і для стиснення повітря (фірма “Атлас Копкий»).

З рис. 29 видно, що робочий цикл спірального компресора відбувається за один оберт (прохід) рухливої спіралі по своїй орбіті. Слід звернути увагу на те, що одночасно із процесом стиску й наступним витисненням газу в одній парі порожнин відбувається утворення нової пари порожнин, їх поступове заповнення свіжим газом протягом усього циклу, потім процес повторюється.

Орбітальний рух рухливої спіралі може забезпечувати муфта Ольдгейма, повідкове, шестерне й інші пристрої. Орбітальний рух рухливої спіралі висуває специфічні вимоги до конструкції упорного підшипника, який, крім його прямого призначення, у ряді випадків може виконувати функції пристрою, що втримує спіраль від обертання навколо своєї осі.

Значна кількість тертьових деталей вимагає рясного змащування й відводу теплоти тертя, а одночасно й ущільнення щілин.

Спіральний компресор може працювати і як розширювальна машина (детандер), якщо підвести до отвору нагнітання стиснений газ. Із цієї причини після СПК необхідно передбачати зворотний клапан.

 

1.7.2.Застосування спіральних компресорів

Спіральні компресори знаходять застосування в різних галузях промисловості й господарства, у побутовій техніці, зокрема в кондиціонерах (де насамперед вони почали застосовуватися), у холодильних машинах і теплових насосах малої й середньої тепло- і холодопродуктивності, а також у якості машини для стиску й подачі різних газів. Вживають спроби здійснити робочий процес у СПК без змащення маслом.

Спіральні машини широко використовуються також у якості насосів і детандерів.

 

1.7.3.Класифікація спіральних компресорів

Спіральному компресору тією чи іншою мірою властиві всі ознаки роторних машин об'ємного принципу дії. Вони мало чутливі до зміни роду робочої речовини, однак техніко-економічні показники СПК залежать до деякої міри від роду газу. При роботі на гелії або водні замість хладонів показники СПК погіршуються. Однак за цією ознакою СПК не класифікуются.

За функціональним призначенням спіральні машини поділяються на СПК загального призначення, холодильний, вакуумний насос, детандер (спіральна турбіна).

За конструктивними ознаками СПК діляться на:

вертикальні й горизонтальні;

герметичні, безсальникові й сальникові. Застосування того або іншого типу залежать від призначення й умов експлуатації, а також роду стискуваної робочої речовини;

одинарні й подвійні. Одинарні мають по одній рухливій і нерухливій спіралі. У них неврівноважене осьове газове зусилля, що діє на нерухливу спіраль; у здвоєних є дві нерухливі спіралі, між якими встановлено дві рухливі, що мають загальний ексцентриковий вал. У цьому випадку можлива повна врівноваженість по осьових газових зусиллях;

одно-, двох- і багатоступінчасті;

з клапаном на нагнітанні й без нього;

маслозаповнені, сухого стиску й з упорскуванням охолоджуючої, у тому числі швидковипарної рідини.

Спіралі з орбітальним рухом по колу за типом профілю й за числом заходів розділяються на:

спіраль Архімеда;

эвольвентну спіраль;

одно-, двох- і багатозаходні спіралі.

 

1.7.4. Переваги спіральних компресорів

Спіральний компресор відноситься до машин малої й, у найкращому разі, середньої об'ємної продуктивності. Тому не раціонально його зіставляти з високопродуктивними компресорами динамічного принципу дії.

Відзначимо, однак, дві переваги, що відрізняють машини об'ємного принципу дії, у тому числі й СПК, від машин динамічної дії: їм не властиве явище помпажа, і вони можуть працювати на будь-якій газоподібній робочій рідині.

Крім того слід зазначити наступні загальні переваги спірального компресора.

1. Високе значення адіабатного ККД і, треба вважатися, індикаторного ККД можна пояснити багатьма причинами:

малими втратами тиску газу на усмоктуванні, що пояснюється відсутністю клапанів на усмоктуванні; тривалістю періоду процесу усмоктування, практично рівного всьому періоду робочого циклу компресора; низькою швидкістю усмоктуваного газу через широке розкриття порожнини, яка вільним кінцем пера спіралі подібно ковшу «загрібає» робочу речовину й потім закриває її в ізольованому об’ємі порожнини. Таких малих втрат тиску на усмоктуванні не має жоден інший тип компресорних машин;

відсутністю мертвого простору й, отже, зворотного розширення газу, як в поршневих машинах;

малим підігрівом газу в процесі усмоктування, тому що швидкості руху газу щодо пера спіралі дуже малі й, крім того, відсутній контакт усмоктуваного газу з більш нагрітими деталями;

охолодженням газу від днищ спіралей, тому що вони контактують із більш холодними деталями й прохолоджуються змащенням компресора;

малими газодинамічними втратами тиску газу на нагнітанні при відсутності клапана, тому що процес нагнітання триває майже протягом усього періоду робочого циклу;

малою відносною величиною протічок (витоків і перетічок) газу, що досягається високою точністю виготовлення основних деталей компресора й, насамперед, спіралей, завдяки правильності їх геометричних форм і розмірів ребра, що забезпечує якісне складання й можливість регулювання у відомих межах величини зазорів між спіралями.

Усе це обумовлює високі значення коефіцієнта подачі () і адіабатного ККД ().

2. Низький рівень звукового тиску і мала амплітуда

вібрації. У СПК швидкості руху газу в робочих обсягах малі. Швидкості газу в щілинах можуть бути значними, але відносна величина маси такого газу мала. Із цих причин у СПК «газодинамічний шум» незначний.

Виникнення вібрації викликається дією сил інерції неврівноважених мас і газових сил, що передаються на корпус.

Відцентрові сили діючі в СПК, урівноважуються противагою, але, по-перше, при цьому зростають маса й габаритні розміри компресора; по-друге, росте потужність привода, тому що виникають додаткові опори обертанню провідного вала, а вони можуть бути значними, особливо коли противага обертається в середовищі підвищеної щільності.

3. Висока надійність СПК обумовлена відсутністю клапанів, ущільнювачів типу поршневих кілець і досягається застосуванням відповідних матеріалів, високоякісних комплектуючих виробів (підшипників, ущільнювачів) і, безумовно, застосуванням технології, що забезпечує високу якість деталей і складання компресора.

Спіральний компресор у порівнянні з поршневим порівняної продуктивності має наступні переваги:

більш високий (на —10%) адіабатний ККД;

звуковий тиск нижче на ~-5 дб;

зменшення габаритних розмірів на 40%;

зниження маси на 15%.

 

1.7.5.Недоліки спіральних компресорів

Особливості конструкції спіральних компресорів, високі вимоги до точності й чистоти поверхні основних деталей і вузлів вимагають для виготовлення СПК застосування, як відзначають багато авторів, прецизійного верстатного устаткування й відповідного оснащення, а також високої кваліфікації робітників. Зазначені вимоги ставляться насамперед до спіралей. Технологію виготовлення спіралей фірми не розкривають. Усе це ускладнює освоєння виробництва СПК.

Крім зазначених раніше недоліків, органічно властивих спіральним компресорам, слід назвати й інші:

чутливість компресора до забруднення стисливого середовища (потрапляння в компресор не тільки твердих часток, але іржі, що просто накопичилась, або бруду може вивести його з ладу);

відносно великі сили газового тиску, частина з яких (осьові) піддається компенсації, але тангенціальні сили навантажують радіальні підшипники;

велика частка тертя, зокрема, ковзання що погіршує механічний ККД (потрібне рясне змащування тертьових елементів);

скупчення масла в одній частині робочого простору компресора при його горизонтальному положенні створює асимметрию навантаження на спіралі. Звідси краще положення СПК – вертикальне, а це обмежує свободу компонування установки;

на рухливу спіраль діє перекидаючий момент, що може стати джерелом вібрації й шуму;

центри платформ (плит) спіралей мають більш високу температуру, ніж їхня периферія. Тому щоб уникнути спучування центральної частини платформи її необхідно охолоджувати.

 

Таким чином, спіральні компресори мають суттєві недоліки, але сучасні технологічні можливості компресоробудування дозволяють зводити ці недоліки до мінімуму і виготовляти серійно досконалі спіральні компресори різних конструктивних виконань, типорозмірів і призначень.