Роторно -винтовой компрессор — это тип газового компрессора , например, воздушного компрессора , который использует роторный механизм положительного вытеснения. Эти компрессоры широко распространены в промышленных применениях и заменяют более традиционные поршневые компрессоры , где требуются большие объемы сжатого газа, например, для больших холодильных циклов, таких как чиллеры , или для систем сжатого воздуха для работы пневматических инструментов, таких как отбойные молотки и ударные гайковерты . Для меньших размеров ротора внутренняя утечка в роторах становится гораздо более значительной, что приводит к тому, что этот тип механизма менее пригоден для меньших компрессоров, чем поршневые компрессоры.
Винтовой компрессор идентичен винтовому насосу, за исключением того, что карманы захваченного материала постепенно уменьшаются вдоль винта, тем самым сжимая материал, удерживаемый в карманах. Таким образом, винт винтового компрессора асимметричен по своей длине, тогда как винтовой насос симметричен по всей длине.
Процесс сжатия газа вращающимся винтом представляет собой непрерывное размашистое движение, поэтому пульсация или всплеск потока очень малы, как это происходит в поршневых компрессорах. Это также позволяет винтовым компрессорам быть значительно тише и производить гораздо меньше вибрации, чем поршневые компрессоры, даже при больших размерах, и дает некоторые преимущества в эффективности.
Винтовые компрессоры используют два очень близко расположенных спиральных ротора для сжатия газа. В сухом винтовом компрессоре зубчатые передачи обеспечивают точное выравнивание ведущего и ведомого роторов без соприкосновения, что привело бы к быстрому износу. В масляном винтовом компрессоре смазочное масло перекрывает пространство между роторами, обеспечивая как гидравлическое уплотнение, так и передачу механической энергии между роторами, позволяя одному ротору полностью приводиться в движение другим.
Газ поступает со стороны всасывания и движется по резьбе при вращении винтов. Сцепляющиеся роторы проталкивают газ через компрессор, и газ выходит на конце винтов. Рабочая область — это межлопастной объем между ведущим и ведомым роторами. Он больше на впускном конце и уменьшается по длине роторов до выпускного отверстия. Это изменение объема и есть сжатие.
Впускной заряд втягивается в конце роторов в большом зазоре между мужскими и женскими кулачками. На впускном конце мужской лепесток намного меньше своего женского аналога, но относительные размеры меняются на обратные пропорции по длине обоих роторов (мужской становится больше, а женский меньше) до тех пор (по касательной к выпускному отверстию) до тех пор, пока зазор между каждой парой кулачков не станет намного меньше. Это уменьшение объема вызывает сжатие заряда перед тем, как он будет представлен в выходном коллекторе. [1]
Эффективность этого механизма зависит от точного подбора зазоров между спиральными роторами и между роторами и камерой для герметизации полостей сжатия. Однако некоторая утечка неизбежна, и для минимизации соотношения расхода утечки к эффективному расходу необходимо использовать высокие скорости вращения.
В отличие от воздуходувок Рутса , современные винтовые компрессоры изготавливаются с разными профилями на двух роторах: ведущий ротор имеет выпуклые лопасти, которые входят в зацепление с вогнутыми полостями ведомого ротора. Обычно ведущий ротор имеет меньше лопастей, чем ведомый ротор, поэтому он вращается быстрее. Первоначально винтовые компрессоры изготавливались с симметричными профилями полостей ротора, но современные версии используют асимметричные роторы, при этом точные конструкции роторов являются предметом патентов. [2]
Мощность винтовых компрессоров обычно измеряется в лошадиных силах (л. с.), стандартных кубических футах в минуту ( SCFM )* и фунтах на квадратный дюйм (PSIG). Для агрегатов в диапазоне от 5 до 30 л. с. физический размер этих агрегатов сопоставим с типичным двухступенчатым компрессором. По мере увеличения мощности в пользу винтовых компрессоров наблюдается существенная экономия за счет масштаба. Например, составной компрессор мощностью 250 л. с. представляет собой крупное оборудование, для которого обычно требуется специальный фундамент, помещения и высококвалифицированные такелажники для размещения оборудования. С другой стороны, винтовой компрессор мощностью 250 л. с. можно разместить на обычном полу цеха с помощью стандартного вилочного погрузчика . В промышленности винтовой компрессор мощностью 250 л. с. обычно считается компактным оборудованием.
Винтовые компрессоры обычно доступны в диапазоне от 5 до 500 л.с. и могут производить потоки воздуха свыше 2500 SCFM. В то время как давление, создаваемое одноступенчатым винтовым компрессором, ограничено 250 PSIG, двухступенчатый винтовой компрессор может обеспечивать давление до 600 PSIG.
Винтовые компрессоры, как правило, работают плавно с ограниченной вибрацией, поэтому не требуют специального фундамента или системы крепления. Обычно винтовые компрессоры монтируются с использованием стандартных резиновых изолирующих опор, предназначенных для поглощения высокочастотных вибраций. Это особенно актуально для винтовых компрессоров, которые работают на высоких скоростях вращения.
*В меньшей степени некоторые компрессоры оцениваются в фактических кубических футах в минуту ( ACFM ). Другие же оцениваются в кубических футах в минуту (CFM). Использование CFM [3] для оценки компрессора неверно, поскольку оно представляет собой расход, который не зависит от опорного давления. т. е. 20 CFM при 60 PSI.
Винтовой компрессор был впервые запатентован в 1878 году Генрихом Кригаром в Германии , однако патент истек, а рабочая машина так и не была построена. [4] [5]
Современный винтовой компрессор с винтовыми лопастями был разработан в Швеции Альфом Лисхольмом , который был главным инженером в Ljungstroms Angturbin . Лисхольм разработал винтовой компрессор, ища способ преодоления помпажа компрессора в газовых турбинах . Сначала Лисхольм рассматривал нагнетатель типа Рутса , но обнаружил, что он не может создать достаточно высокую степень давления. В 1935 году Люсхольм запатентовал винтовой компрессор с винтовыми лопастями, который затем был широко лицензирован другими производителями. Ljungstroms Angturbin AB была переименована в Svenska Rotor Maskiner (SRM) в 1951 году. [4] [6]
В 1952 году шотландская машиностроительная компания Howden использовала первый режущий станок Holroyd для производства винтовых роторов компрессора, что значительно снизило как стоимость, так и время производства. [4] [5]
В 1954 году Howden и SRM совместно разработали первый винтовой компрессор с масляным затоплением. Затопление обеспечивало как охлаждение, что позволяло достичь более высоких коэффициентов давления, так и устранение распределительных шестерен. Первый коммерчески доступный винтовой воздушный компрессор с затопленным компрессором был представлен в 1957 году компанией Atlas Copco . [4] [5]
Щелевые клапаны были разработаны компанией SRM в 1950-х годах, что позволило улучшить контроль производительности, который был ограничивающим фактором для применения винтовых компрессоров. [4] [5]
Асимметричные роторы были впервые запатентованы SRM и впоследствии введены в коммерческую эксплуатацию Sullair в 1969 году. Внедрение асимметричных роторов улучшило уплотнение, еще больше повысив эффективность типа. [4]
Винтовые компрессоры обычно используются для подачи сжатого воздуха для крупных промышленных применений. Их лучше всего применять в приложениях, где есть постоянная потребность в воздухе, таких как заводы по упаковке пищевых продуктов и автоматизированные производственные системы, хотя достаточно большое количество прерывистых потребностей, наряду с некоторым хранением, также будет представлять собой подходящую постоянную нагрузку. В дополнение к стационарным агрегатам, винтовые компрессоры обычно устанавливаются на буксирных прицепах и приводятся в действие небольшими дизельными двигателями. Эти переносные системы сжатия обычно называют строительными компрессорами. Строительные компрессоры используются для подачи сжатого воздуха на отбойные молотки, клепальные инструменты, пневматические насосы, пескоструйные операции и промышленные системы окраски. Их обычно можно увидеть на строительных площадках и на дежурстве у бригад по ремонту дорог по всему миру.
Винтовые воздушные компрессоры также широко используются на роторных, погружных и циркуляционных буровых установках, применяемых в горнодобывающей промышленности и при разведочном бурении, а также при обслуживании нефте- и газопроводов, например, при пневматических испытаниях или очистке скважин воздухом.
В безмасляном компрессоре воздух сжимается исключительно за счет действия винтов, без помощи масляного уплотнения. В результате они обычно имеют более низкую максимальную способность давления нагнетания. Однако многоступенчатые безмасляные компрессоры, в которых воздух сжимается несколькими наборами винтов, могут достигать давления более 150 фунтов на квадратный дюйм (10 атм) и выходного объема более 2000 кубических футов в минуту (57 м 3 /мин).
Безмасляные компрессоры используются в приложениях, где недопустим унос масла, например, в медицинских исследованиях и производстве полупроводников. Однако это не исключает необходимости фильтрации, поскольку углеводороды и другие загрязняющие вещества, попавшие из окружающего воздуха, также должны быть удалены до точки использования. Следовательно, для обеспечения качественного сжатого воздуха часто требуется очистка воздуха, идентичная той, которая используется для винтового компрессора с масляным заполнением.
В небольших поршневых компрессорах плотники и домовладельцы иногда используют «безмасляные» компрессоры, в которых под безмасляным понимается использование не масла, а тефлонового покрытия, постоянно приклеиваемого к изнашиваемым поверхностям.
В масляном винтовом компрессоре масло впрыскивается в компрессионные полости для обеспечения герметизации и охлаждения газового заряда. Масло отделяется от потока нагнетания, охлаждается, фильтруется и перерабатывается. Масло улавливает неполярные частицы из входящего воздуха, эффективно снижая загрузку частицами сжатого воздуха при фильтрации частиц. Обычно часть захваченного компрессорного масла попадает в поток сжатого газа ниже по потоку от компрессора. Во многих случаях это устраняется коалесцирующими / фильтрующими сосудами. [7] Рефрижераторные осушители сжатого воздуха с внутренними холодными коалесцирующими фильтрами рассчитаны на удаление большего количества масла и воды, чем коалесцирующие фильтры, которые находятся ниже по потоку от воздушных осушителей, поскольку после охлаждения воздуха и удаления влаги холодный воздух используется для предварительного охлаждения горячего входящего воздуха, что нагревает выходящий воздух. В других случаях эта проблема решается путем использования ресиверов, которые снижают локальную скорость сжатого воздуха, позволяя маслу конденсироваться, выпадать из воздушного потока и удаляться из системы сжатого воздуха с помощью оборудования для управления конденсатом.
Маслозаполненные винтовые компрессоры используются в самых разных областях, включая сжатие воздуха, охлаждение газа , переработку углеводородов и использование энергии из низкопотенциальных источников тепла. [8] Размеры варьируются от небольших мастерских воздушных компрессоров до 8400 кВт (11 300 л.с.) тяжелых промышленных компрессоров с выходным давлением до 60 бар (870 фунтов на кв. дюйм). [9] Новые маслозаполненные винтовые воздушные компрессоры выделяют <5 мг/м3 уноса масла. [10]
Масло PAG — это полиалкиленгликоль, который также называется полигликолем . Масло PAG сгорает чисто, не оставляя остатков, и использовалось в качестве базового масла для твердых смазок для высокотемпературной смазки цепей. [11] Некоторые версии являются пищевыми и биоразлагаемыми. Смазки PAG используются двумя крупнейшими производителями воздушных компрессоров в США в ротационных винтовых воздушных компрессорах. [12] Компрессоры с впрыском масла PAG не используются для распыления краски, поскольку масло PAG растворяет краски. Двухкомпонентные краски на основе эпоксидной смолы с реакционной стойкостью устойчивы к маслу PAG.
Полигликоли несовместимы со смазками на основе минеральных масел. Смесь полигликолей с минеральными маслами дает желеобразную, липкую массу. [13] Силиконовая смазка переносит полигликоли. Один из производителей пневматических элементов управления наносит силиконовую смазку на уплотнения и прокладки. [14] [15]
Компрессоры, смазываемые минеральным маслом (но не полиалкиленгликолевым маслом), рекомендуются для уплотнений, покрытых минеральными смазками, таких как пневматические высокоскоростные 4-ходовые клапаны и воздушные цилиндры, которые работают без лубрикаторов с минеральным маслом. Один производитель оценил свои пневматические высокоскоростные 4-ходовые клапаны как срок службы 50 миллионов циклов, если они не подвергаются воздействию полигликолевых масел. [16] [17]
Масло полиальфаолефина ПАО совместимо со смазками на основе минеральных масел. [18]
Сравнительно недавно разработанный конический винтовой компрессор по сути является коническим спиральным расширением геротора . Он не имеет присущего ему пути утечки «сдува», который в хорошо спроектированных винтовых компрессорах отвечает за значительную утечку через узел. Это позволяет гораздо меньшим роторам иметь практическую эффективность, поскольку при меньших размерах площадь утечки не становится такой большой частью площади накачки, как в прямых винтовых компрессорах. В сочетании с уменьшающимся диаметром конусообразного ротора это также позволяет достичь гораздо более высоких степеней сжатия на одной ступени с более низкой выходной пульсацией. [19]
Среди винтовых компрессоров существует несколько схем управления, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.
В схеме управления пуском/остановкой контроллеры компрессора активируют реле для подачи и отключения питания двигателя в соответствии с потребностями в сжатом воздухе. В большинстве случаев использования требуется значительное хранилище, если нагрузка непостоянна или плохо соответствует компрессору, требуемое хранилище часто будет больше самого компрессора.
В схеме управления загрузкой/разгрузкой компрессор остается постоянно включенным. Однако, когда потребность в сжатом воздухе удовлетворяется или уменьшается, вместо отключения питания компрессора активируется устройство, известное как золотниковый клапан. Это устройство открывает часть ротора и пропорционально снижает производительность машины до обычно 25% от мощности компрессора, тем самым разгружая компрессор. Это уменьшает количество циклов запуска/остановки электродвигателей по сравнению со схемой управления запуском/остановкой в компрессорах с электрическим приводом, улучшая срок службы оборудования с минимальным изменением эксплуатационных расходов. Когда схема управления загрузкой/разгрузкой сочетается с таймером для остановки компрессора после заданного периода непрерывной работы без нагрузки, это известно как схема двойного управления или авто-двойная схема. Эта схема управления по-прежнему требует хранения, поскольку для соответствия потреблению доступны только две производительности, хотя и значительно меньше, чем схема запуска/остановки.
Вместо запуска и остановки компрессора золотниковый клапан, как описано выше, непрерывно модулирует производительность в соответствии с потребностью, а не контролируется пошагово. Хотя это обеспечивает постоянное давление нагнетания в широком диапазоне потребности, общее потребление энергии может быть выше, чем при схеме нагрузки/разгрузки, что приводит к приблизительно 70% потребления энергии при полной нагрузке, когда компрессор находится в состоянии нулевой нагрузки.
Из-за ограниченной регулировки потребляемой мощности компрессора относительно выходной мощности сжатого воздуха модуляция, как правило, является неэффективным методом управления по сравнению с частотно-регулируемыми приводами. Однако для приложений, где нет возможности часто останавливать и возобновлять работу компрессора (например, когда компрессор приводится в действие двигателем внутреннего сгорания и работает без наличия ресивера сжатого воздуха), модуляция подходит. Непрерывно регулируемая производительность также устраняет необходимость в значительном хранилище, если нагрузка никогда не превышает производительность компрессора.
Используемая компрессорными компаниями Quincy Compressor, Kobelco , Gardner Denver , Kaishan USA и Sullair , переменная производительность изменяет процент роторов винтового компрессора, работающих для сжатия воздуха, позволяя потоку воздуха обходить части винтов. Хотя это и снижает потребление энергии по сравнению со схемой управления модуляцией, система загрузки/выгрузки может быть более эффективной при больших объемах хранения (10 галлонов на CFM). Если большой объем хранения нецелесообразен, система переменной производительности может быть очень эффективной, особенно при нагрузке более 70% от полной. [20]
Один из способов достижения переменного смещения — использование нескольких подъемных клапанов на всасывающей стороне компрессора, каждый из которых подключен к соответствующему месту нагнетания. В автомобильных нагнетателях это аналогично работе перепускного клапана.
В то время как воздушный компрессор, работающий от привода с переменной скоростью, может предложить самые низкие эксплуатационные затраты энергии без какого-либо заметного сокращения срока службы по сравнению с правильно обслуживаемым компрессором нагрузки/разгрузки, преобразователь мощности переменной частоты привода с переменной скоростью обычно значительно увеличивает стоимость конструкции такого компрессора, снижая его экономические преимущества по сравнению с правильно подобранным компрессором нагрузки/разгрузки, если потребность в воздухе постоянна. Однако привод с переменной скоростью обеспечивает почти линейную зависимость между потреблением энергии компрессором и подачей свободного воздуха, что позволяет наиболее эффективно работать в очень широком диапазоне потребности в воздухе. Компрессору все равно придется переходить в режим запуска/остановки при очень низкой потребности, поскольку эффективность все еще быстро падает при низких производительностях из-за утечки ротора. В суровых условиях (жарких, влажных или пыльных) электронику приводов с переменной скоростью, возможно, придется защищать, чтобы сохранить ожидаемый срок службы. [21]
Двухвинтовой нагнетатель представляет собой устройство типа принудительного вытеснения , которое работает, проталкивая воздух через пару зацепленных винтов с малым допуском, похожих на набор червячных передач. Двухвинтовые нагнетатели также известны как нагнетатели Lysholm (или компрессоры ) в честь их изобретателя Альфа Лисхольма . [22] Каждый ротор радиально симметричен, но асимметричен в поперечном направлении. Для сравнения, обычные нагнетатели типа «Рутс» имеют либо идентичные роторы (с прямыми роторами), либо зеркально отраженные роторы (со спиральными роторами). Мужской ротор, изготовленный Whipple, имеет три лопасти, женский — пять лопастей. Мужской ротор Kenne-Bell имеет четыре лопасти, женский — шесть лопастей. Женские роторы в некоторых более ранних конструкциях имели четыре. Для сравнения, нагнетатели Roots всегда имеют одинаковое количество лопастей на обоих роторах, как правило, 2, 3 или 4.
Винтовой компрессор имеет низкие уровни утечки и низкие паразитные потери по сравнению с типом Roots. Нагнетатель обычно приводится в действие непосредственно от коленчатого вала двигателя через ременную или зубчатую передачу. В отличие от нагнетателя типа Roots , двухвинтовой демонстрирует внутреннюю компрессию, которая является способностью устройства сжимать воздух внутри корпуса, когда он перемещается через устройство, вместо того, чтобы полагаться на сопротивление потоку ниже по течению от разряда, чтобы установить увеличение давления. [23]
Требование высокоточных компьютерных методов производства делает винтовой нагнетатель более дорогой альтернативой другим формам доступной принудительной индукции. С появлением более поздних технологий себестоимость производства снизилась, а производительность возросла.
Все типы нагнетателей выигрывают от использования промежуточного охладителя для снижения тепла, выделяемого во время нагнетания и сжатия.
Наглядный пример технологии, применяемой двухвинтовыми компрессорами в таких компаниях, как Ford , Mazda , Mercedes и Mercury Marine, также может продемонстрировать эффективность двухвинтовых компрессоров. Хотя некоторые центробежные нагнетатели являются стабильными и надежными, они обычно не обеспечивают полного наддува до пиковых оборотов двигателя, в то время как нагнетатели прямого вытеснения, такие как нагнетатели типа Roots и двухвинтовые компрессоры, обеспечивают более быстрое наддув. В дополнение к этому, двухвинтовые нагнетатели могут поддерживать разумный наддув на более высоких оборотах лучше, чем другие нагнетатели прямого вытеснения.
Термин «воздуходувка» обычно используется для определения устройства, устанавливаемого на двигателях с функциональной потребностью в дополнительном потоке воздуха, например, двухтактный дизельный двигатель , где положительное давление на впуске необходимо для «продувки» или очистки отработанных выхлопных газов из цилиндра и нагнетания свежего впускного заряда в цилиндр перед тактом сжатия. Термин «воздуходувка» применяется к винтовым, рутс-типа и центробежным компрессорам, когда они используются как часть автомобильной системы принудительной индукции . Термин «воздуходувка салона» также используется для наддува самолетов для полетов на большой высоте, в которых использовались компрессоры типа Рутс, особенно в 1950-х годах (см. нагнетатель Маршалла ).
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)