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 н центробежных компрессоров, тем не менее прочно вписались в промежуточный по хо — лодопроизводительности 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. I. Винтовой маслозаполиен — иый холодильный компрессор: / — корпус; 2 — ведущий ротор; 3 — ведомый ротор; 4 — разгру­зочный поршень; 5 — проставка; б — 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 косозу — бые 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 н не слишком большими, так как утечки сжима­емого газа через зазоры ухудшают технические и экономические пока­затели компрессора. Оптимальные размеры зазоров строго рассчиты­вают н 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, мень­шее 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 называемые маслоза — полненные 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 отечественны* * винтовых компрессорах обычно используют стандартные внутрен­ние степени сжатия 2,6; £,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, находящей- ся 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) н 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 а £ ту пен к .центробежного компрессора: I — 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, ли — бо гладкий, где по мере увеличь сечения потока газа снижается скорость и, согласно закону Бері ли, повышается давление.

Если этого повышения давле оказывается достаточно, то газ, капливаемый в сборной камере, ступает в нагнетательный тру провод. В противном случае, дальнейшего повышения давлеї процесс повторяется во втором бочем колесе. Поток из диффузс первого рабочего колеса попад, во всасывающее отверстие вторі через специальные каналы, на; ваемые обратным направляющ аппаратом, заставляющим газ де гаться от периферии к оси.

Рабочее колесо, диффузор и с ратный направляющий аппар (или сборная камера) составляї ступень центробежного компресс ра. Конструктивно диффузоры обратные направляющие аппарат выполняются в виде ряда диа( рагм — неподвижных деталей ді сковок формы (иногда составлеї ных из двух полудисков), закреї ленных в корпусе либо вьіполнеї ных с ним заодно.

Повышение давления в ступен
(степень сжатия) зависит от ряда факторов, в первую очередь от ча­стоты вращения рабочих колес, а также от физических свойств сжи­маемого газа, h’j которых важней­шим явлнотси 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 но вращение двигателем. В некоторых случаях, чтобы вал не был слишком длинным, колеса при­мерно поровну распределяют на два вала, при этом компрессор вы­полняют двухкорпусным.

Частота вращении 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 и винтовом компрессоре.

Внутри ступени и между сту­пенями возможны перетечки газа. С целью свести их к минимуму в местах возможных перстечек ста­вят лабиринтные уплотнения. Они предсіавляют 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 враще­нии 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 неразрез — ные, в отличие от компрессоров с горизонтальным разъемом корпуса.

Возникающие при вращении ра­бочих колес центробежные силы создают значительные напряже­ния, 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

РИС. 3. Двухступен­чатый центробежный фреоновый холодиль­ный компрессор:

/ — салы^иковое уп­лотнение вала; 2 т — мультиплнкатор; 3 — лопатка входного на­правляющего а пп ара­та; 4 — пакет диа­фрагм; 5 — ротор;

6 — подшипник;

1750

7 — уравновешиваю­щий поршень; 8 — ла­биринтные уплотне­ния

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 односкоростпые

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.

Posted in К холодильной технике