Компрессоры. Классификация компрессоров. Типовая схема и основные характеристики компрессорной установки

Компрессоры. Классификация  компрессоров. Типовая схема и  основные характеристики компрессорной  установки.

Компрессор — машина, предназначенная для повышения давления и перемещения газа. Компрессор относится к классу воздухо- или газодувных машин. Компрессоры это машины с охлаждением газа в процессе сжатия, причем отношение давления нагнетания к давлению всасывания превышает 3,5.

Классификация компрессоров основных видов приведена на рис. 1.1.

По принципу сжатия компрессоры можно разделить  на объемные и динамические. В объемном компрессоре сжатие происходит в результате периодического уменьшения объема, занимаемого газом. Объемные компрессоры по виду рабочего органа делятся на поршневые, мембранные и роторные. В динамическом компрессоре сжатие происходит в результате непрерывного создания ускорений в потоке газа. Динамические компрессоры по принципу действия подразделяют на турбокомпрессоры и струйные.

В зависимости от рабочего давления все компрессоры  делятся на вакуумные (начальное давление газа ниже атмосферного), низкого давления (конечное давление газа 0,115— 1,0 МПа), среднего (конечное давление газа 1,0—10,0 МПа), высокого (конечное давление 10—100 МПа) и сверхвысокого (конечное давление свыше 100 МПа).

Конечное давление может создаваться одной ступенью (одно ступенчатый компрессор) или последовательно несколькими ступенями (многоступенчатый компрессор). Под ступенью компрессора понимают совокупность элементов, обеспечивающих повышение давления и перемещение газа в определенном заданном интервале давлений. Ступень (или группу ступеней) компрессора, после которой газ отводится в газоохладитель или направляется потребителю, называют секцией компрессора. Рабочим давлением обусловлены прочностные характеристики ступени, конструкция клапанов, применяемые материалы.

От производительности зависят размеры ступени: диаметр  цилиндра и ход поршня в поршневом  компрессоре, диаметр колеса в турбокомпрессоре и т. п. При определении характеристик одной ступени применяют комплексные показатели: поршневое усилие или мощность ряда — для поршневых компрессоров, мощность — для роторных и турбокомпрессоров.

Кроме собственно компрессора  с приводом в компрессорную установку  входят также межступенчатая и концевая теплообменная аппаратура, влагомаслоотделители, трубопроводы, об вязки ступеней, а также средства контроля, защиты и автоматики.

Компрессоры могут  быть стационарными и передвижными, а в зависимости от компримируемой среды — воздушными, газовыми и холодильными.

Поршневые компрессоры — машины объемного действия, в которых изменение объема осуществляется поршнем, совершающим прямолинейное возвратно-поступательное движение. Поршневые компрессоры подразделяют по следующим признакам:

• по числу ступеней сжатия — на одно-, двух- и многоступенчатые;
• по кратности подачи — на одинарного и двойного действия;
• по типу кривошипно-шатунного механизма — на крейцкопфные и бескрейцкопфные;
• по числу цилиндров — на одно-, двух- и многоцилиндровые;
• по расположению осей цилиндров (рис. 1.2)—на горизонтальные, вертикальные, угловые (V-образные, W-образные, прямоугольные).

Горизонтальные  поршневые компрессоры выпускают  главным образом средней и  большой производительности. В зависимости  от расположения цилиндров по отношению  к оси вала горизонтальные компрессоры  могут быть односторонними (цилиндры расположены по одну сторону вала) и оппозитными (цилиндры расположены  по обе стороны вала).

Основные группы деталей поршневого компрессора  — цилиндровая, механизма движения и вспомогательного оборудования. В цилиндровую группу входят узлы цилиндра, поршня и уплотнения; в группу механизма движения — картер, коренной вал, крейцкопфы, шатуны; в группу вспомогательного оборудования — узел смазки, фильтры, холодильники, влагомаслоотделители, ресиверы, системы регулирования и защиты.

В зависимости от конструкции механизма движения разработаны нормализованные базы компрессоров. База — это совокупность сборочных единиц, составляющих кривошипно-шатунный механизм. Основными параметрами, характеризующими базу, являются максимальная поршневая сила, ход поршня и частота вращения вала.

Вертикальные поршневые  компрессоры занимают меньшую площадь, чем горизонтальные, а фундамент, воспринимающий вертикальные нагрузки, имеет меньшую массу.

Угловые поршневые  компрессоры получили значительное распространение благодаря ряду преимуществ перед горизонтальными  и вертикальными машинами: они  лучше уравновешены (поэтому требуется  менее массивный фундамент), компактны  и имеют меньшую массу.

В зависимости от расположения цилиндров по отношению  к оси вала угловые компрессоры  могут быть прямоугольными, V-образными  и W-образными, причем компрессоры двух послед них типов выпускают, как  правило, малой производительности и в основном для компримирования воздуха.

Из всего разнообразия средних по размерам и мощности (20—200 кВт) компрессоров следует выделить воздушные поршневые стационарные компрессоры общего назначения.

Угловые компрессоры  выпускают следующих типов: ВУ —  бескрейцкопфные с V-образным расположением цилиндров; ВП — крейцкопфные с прямоугольным расположением цилиндров; ВМ — крейцкопфные с оппозитным горизонтальным расположением цилиндров.

Таблица I.I. Основные параметры компрессоров

Мембранные  компрессоры — машины объемного действия, в которых изменение объема осуществляется мембраной, совершающей колебательное движение. Прогибаясь, мембрана при водит к всасыванию и нагнетанию газа. Мембрана полностью изолирует газ, предотвращая попадание в него масла и воды, поэтому компрессоры данного типа используют в тех случаях, когда требуется получение газа высокой чистоты. Они нашли применение при сжатии кислорода, фтора, хлора и других газов, т. е. там, где необходима полная герметичность полости компрессора.

В мембранных компрессорах происходит интенсивное охлаждение сжимаемого газа вследствие большой  поверхности мембраны (иногда для  более интенсивного охлаждения под  диском дополнительно помещают змеевик, охлаждаемый водой) и малого мертвого пространства, что обеспечивает высокую степень сжатия в одной ступени. Так, в трехступенчатом мембранном компрессоре достигается давление, равное 100 МПа. Недостатками мембранных компрессоров являются малая частота вращения вала, большие габариты и масса, малая долговечность мембран.

Роторные  компрессоры. В компрессорах этого типа изменение объема осуществляется ротором (роторами), совершающим вращательное движение.

В зависимости от конструкции рабочей камеры роторный компрессор может быть пластинчатым, жидкостно-кольцевым, с катающимся ротором, винтовым, шестеренчатым и  роторно-поршневым.

Рабочая камера образуется в пластинчатом компрессоре (рис. 1.3) корпусом и эксцентрично расположенным  по отношению к нему ротором, имеющим  подвижные или гибкие пластины; в  жидкостно-кольцевом— кольцом жидкости, корпусом и эксцентрично расположенным по отношению к нему ротором; в винтовом (рис. 1.4) — корпусом и винтообразными роторами, имеющими различные профили зубьев; в шестеренчатом — корпусом и шестеренчатыми роторами, имеющими сопряженные профили.

Винтовые  компрессоры могут быть двух типов: сухого сжатия и маслозаполненные. В машинах сухого сжатия газ охлаждается с помощью рубашек в корпусе, а также промежуточного и концевого холодильников. В маслозаполненных компрессорах газ охлаждают впрыскиванием масла или воды в рабочие полости винтов.

Турбокомпрессоры. В компрессорах этого типа ускорение по тока происходит в результате его взаимодействия с вращающейся решеткой лопаток. По направлению потока в меридиональной плоскости колеса турбокомпрессоры делятся на радиальные, осевые, диагональные и вихревые. Если в радиальном турбокомпрессоре поток направлен от центра к периферии, его называют центробежным; если от периферии к центру — центростремительным.

В центробежных компрессорах (рис. 1.5) давление газа создается под  действием центробежных сил, возникающих  во вращающемся газовом потоке. Центробежные машины имеют следующие преимущества по сравнению с поршневыми: газ не загрязняется маслом, так как оно подается только в подшипники; благодаря большой частоте вращения достигается высокая производительность; плавный ход поршня и отсутствие вибраций позволяют сооружать об легченные фундаменты; вследствие равномерной подачи газа отпадает необходимость в ресиверах; принцип компримирования, применяемый в турбокомпрессорах, обусловливает высокую производительность при меньших давлениях нагнетания, чем в поршневых компрессорах.

К недостаткам центробежных компрессоров можно отнести ухудшение  технико-экономических показателей  при увеличении степени сжатия.

Центробежные компрессоры  могут быть с горизонтальным и  вертикальным разъемом корпуса и  отличаются диапазоном создаваемых  давлений: первые являются машинами низкого  и среднего давлений и создают  давление до 7 МПа при производительности до 10 м³/с; вторые развивают давление до 35 МПа при максимальной подаче 10 м³/с.

Для обеспечения  производительности от 25 м³/с и выше на ряду с центробежными применяют и осевые компрессоры (рис. 1.6), принцип действия которых заключается в превращении половины кинетической энергии в энергию давления на лопатках ротора, а остальной половины — на лопатках статора. Ряды лопаток статора служат для увеличения кинетической энергии и давления, а также для направления сжимаемого газа на роторных лопатках. Осевые компрессоры имеют более высокие КПД, меньшую массу и меньшие габариты, чем радиальные.

Струйные  компрессоры. В компрессорах этого типа ускорение потока происходит в результате смешения потоков разных удельных энергий. Сжатие пассивного газа (подаваемого под низким давлением) осуществляется за счет кинетической энергии активного газа (подаваемого под высоким давлением). Таким образом, запас энергии активного газа используется для сжатия пассивного газа, в результате чего получается поток, расход которого больше, а давление меньше, чем у активного газа. Потери при струйном сжатии могут составлять от 25 до 80 % энергии активного газа, поэтому экономичность струйного сжатия ниже, чем механического. На рис. 1.7 приведены области применения компрессоров раз личных типов в зависимости от производительности и давления нагнетания.

Поршневые компрессоры  благодаря ряду особенностей (возможности  сжатия газов до высоких давлений, высокой экономичности при малой  производительности, простоте конструкции  и т. д.) занимают значительное место  в общем выпуске компрессорных  машин.

Из сопоставления  технико-экономических показателей воздушных компрессоров различных типов примерно одинаковой производительности следует, что поршневые компрессоры более экономичны, чем машины других типов, но уступают им по металлоемкости, габаритам и надежности. Компрессоры двух основных типов — поршневые и турбокомпрессоры — не конкурируют, а скорее дополняют друг друга: в каждом конкретном случае оптимальный выбор типа машины зависит от сочетания условий — показателя адиабаты, плотности газа, его агрессивности, влажности, загрязненности, желаемой степени регулирования, стоимости и других факторов. Однако применение турбо компрессоров предпочтительнее при производительности 15 м³/с и выше.