Ротационно-винтовой компрессор

Принципиальный вид перекачивающего действия двухвинтового насоса с шестикулачковым внутренним винтом и пятикулачковым внутренним винтом. Компрессор (в отличие от насоса) будет иметь такую ​​же форму, за исключением того, что форма лепестков будет меняться по длине винта, так что объем запертых карманов будет сжиматься меньше по мере их приближения к выпускной порт.

Роторно-винтовой воздушный компрессор, вид изнутри

Роторно -винтовой компрессор — это тип газового компрессора , например воздушного компрессора , в котором используется механизм прямого вытеснения ротационного типа. Эти компрессоры широко распространены в промышленности и заменяют более традиционные поршневые компрессоры там, где необходимы большие объемы сжатого газа, например, для больших холодильных циклов, таких как холодильные машины , или для систем сжатого воздуха для работы с пневматическими инструментами, такими как отбойные молотки и ударные гайковерты . Для роторов меньших размеров собственная утечка в роторах становится гораздо более значительной, что приводит к тому, что этот тип механизма менее подходит для компрессоров меньшего размера, чем для поршневых компрессоров.

Винтовой компрессор идентичен винтовому насосу, за исключением того, что карманы с захваченным материалом постепенно уменьшаются вдоль винта, тем самым сжимая материал, удерживаемый внутри карманов. Таким образом, винт винтового компрессора асимметричен по своей длине, а винтовой насос симметричен по всей длине.

Процесс сжатия газа ротационным винтом представляет собой непрерывное движение, поэтому пульсация или пульсация потока очень незначительны, как это происходит в поршневых компрессорах. Это также позволяет винтовым компрессорам работать значительно тише и производить гораздо меньше вибрации, чем поршневые компрессоры, даже при больших размерах, а также дает некоторые преимущества в эффективности.

Работающий

Поперечное сечение роторов типичного винтового компрессора с ведомым ротором, имеющим 5 лопастей, и ведомым ротором, имеющим 6. За пять оборотов ведущего ротора ведущий ротор совершает шесть оборотов. Нажмите здесь, чтобы просмотреть анимированную диаграмму .

В ротационно-винтовых компрессорах для сжатия газа используются два очень тесно связанных друг с другом спиральных ротора. В ротационно-винтовом компрессоре, работающем всухую, распределительные шестерни обеспечивают точное выравнивание ведущего и ведущего роторов без контакта, который может привести к быстрому износу. В маслозаполненном ротационно-винтовом компрессоре смазочное масло заполняет пространство между роторами, обеспечивая одновременно гидравлическое уплотнение и передачу механической энергии между роторами, позволяя одному ротору полностью приводиться в движение другим.

Газ поступает со стороны всасывания и проходит через резьбу при вращении винтов. Зацепляющиеся роторы проталкивают газ через компрессор, и газ выходит через конец винтов. Рабочая зона представляет собой межкулачковый объем между ведущим и ведомым роторами. Он больше на впускном конце и уменьшается по длине роторов до выпускного отверстия. Это изменение громкости и есть сжатие.

Всасываемый заряд всасывается на концах роторов в большом зазоре между охватываемыми и охватывающими лопастями. На впускном конце охватываемая лопасть намного меньше, чем ее охватывающий аналог, но относительные размеры меняются пропорциями по длине обоих роторов (папа становится больше, а охватывающая часть меньше) до тех пор, пока (по касательной к выпускному отверстию) не образуется зазор между каждым ротором. пара долей значительно меньше. Это уменьшение объема вызывает сжатие заряда перед его поступлением в выходной коллектор.

Техническая иллюстрация роторно-винтовой компрессорной системы

Эффективность этого механизма зависит от точного подбора зазоров между спиральными роторами, а также между роторами и камерой для герметизации полостей сжатия. Однако некоторая утечка неизбежна, и необходимо использовать высокие скорости вращения, чтобы минимизировать отношение скорости потока утечки к эффективной скорости потока.

В отличие от воздуходувок Рутса , современные винтовые компрессоры изготавливаются с разными профилями двух роторов: ведущий ротор имеет выпуклые лопасти, которые входят в зацепление с вогнутыми полостями ведущего ротора. Обычно у ведущего ротора меньше лепестков, чем у ведущего, поэтому он вращается быстрее. Первоначально винтовые компрессоры изготавливались с симметричными профилями полости ротора, но в современных версиях используются асимметричные роторы, причем точные конструкции роторов являются предметом патентов.

Размер

Производительность ротационно-винтовых компрессоров обычно измеряется в лошадиных силах (л.с.), стандартных кубических футах в минуту ( SCFM )* и фунтах на квадратный дюйм (PSIG). Для агрегатов мощностью от 5 до 30 л.с. физический размер этих агрегатов сравнимы с типичным двухступенчатым компрессором. По мере увеличения мощности наблюдается существенная экономия за счет масштаба в пользу ротационно-винтовых компрессоров. Например, составной компрессор мощностью 250 л.с. представляет собой крупное оборудование, для которого обычно требуется специальный фундамент, строительные помещения и высококвалифицированные монтажники для установки оборудования. С другой стороны, ротационно-винтовой компрессор мощностью 250 л.с. можно разместить в обычном цехе с помощью стандартного вилочного погрузчика . В промышленности винтовой компрессор мощностью 250 л.с. обычно считается компактным оборудованием.

Роторно-винтовые компрессоры обычно доступны в диапазоне от 5 до 500 л.с. и могут производить потоки воздуха более 2500 куб. футов в минуту. В то время как давление, создаваемое одноступенчатым винтовым компрессором, ограничено 250 фунтами на квадратный дюйм, манометрическое давление двухступенчатого винтового компрессора может достигать 600 фунтов на квадратный дюйм.

Роторно-винтовые компрессоры имеют тенденцию работать плавно и 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. Особенно это актуально для ротационно-винтовых компрессоров, работающих на высоких скоростях вращения.

*В меньшей степени некоторые компрессоры рассчитаны в фактических кубических футах в минуту ( ACFM ). Третьи оцениваются в кубических футах в минуту (CFM). Использование ЦФМ Оценка компрессора неверна, поскольку она представляет собой скорость потока, не зависящую от эталонного давления. т.е. 20 CFM при 60 PSI.

История

Винтовой компрессор был впервые запатентован в 1878 году Генрихом Кригаром в Германии , однако срок действия патента истек, а работающая машина не была построена.

Современный винтовой винтовой компрессор был разработан в Швеции Альфом Лисхольмом, который был главным инженером компании Ljungstroms Angturbin . Лисхольм разработал винтовой компрессор, пытаясь преодолеть помпаж компрессора в газовых турбинах . Лисхольм сначала рассмотрел возможность использования воздуходувки типа Рутса , но обнаружил, что она не может обеспечить достаточно высокую степень давления. В 1935 году Юнгстромс запатентовал винтовой компрессор с винтовыми лопастями, лицензии на который затем были широко распространены среди других производителей. В 1951 году компания Ljungstroms Angturbin AB была переименована в Svenska Rotor Maskiner (SRM).

использовала первый отрезной станок Holroyd В 1952 году шотландская машиностроительная компания Howden для производства роторов винтовых компрессоров, что значительно сократило как стоимость, так и время производства.

В 1954 году Howden и SRM совместно разработали первый винтовой маслозаполненный компрессор. Затопление обеспечило как охлаждение, что позволило повысить степень сжатия, так и исключить распределительные шестерни. Первый коммерчески доступный винтовой воздушный компрессор с затопленным воздухом был представлен в 1957 году компанией Atlas Copco .

Щелевые клапаны были разработаны компанией SRM в 1950-х годах, что позволило улучшить контроль производительности, что было ограничивающим фактором для применения винтовых компрессоров.

Асимметричные роторы были впервые запатентованы SRM и впоследствии представлены на коммерческом рынке компанией Sullair в 1969 году. Внедрение асимметричных роторов улучшило уплотнение, что еще больше повысило эффективность типов.

Приложения

Роторно-винтовые компрессоры обычно используются для подачи сжатого воздуха в крупных промышленных целях. Их лучше всего применять в приложениях, которые имеют непрерывный спрос на воздух, например, на предприятиях по упаковке пищевых продуктов и в автоматизированных производственных системах, хотя достаточно большое количество периодических запросов, а также некоторое хранение также будут представлять собой достаточно продолжительную нагрузку. Помимо стационарных агрегатов, ротационно-винтовые компрессоры обычно монтируются на прицепах и приводятся в действие небольшими дизельными двигателями. Эти портативные компрессорные системы обычно называют строительными компрессорами. Строительные компрессоры используются для подачи сжатого воздуха в отбойные молотки, клепальные инструменты, пневматические насосы, пескоструйные операции и системы промышленной окраски. Их часто можно увидеть на строительных площадках и в составе дорожно-ремонтных бригад по всему миру.

Винтовые воздушные компрессоры также широко используются на буровых установках роторного, погружного и RC-бурения, используемых в горнодобывающей промышленности и разведочном бурении, а также в нефте- и газопроводах, таких как пневматические испытания или очистка воздухом.

Без масла

В безмасляном компрессоре воздух полностью сжимается винтами без помощи сальника. В результате они обычно имеют более низкое максимальное давление нагнетания. Однако многоступенчатые безмасляные компрессоры, в которых воздух сжимается несколькими наборами винтов, могут достигать давления более 150 фунтов на квадратный дюйм (10 атм) и производительности более 2000 кубических футов в минуту (57 м3). ³ /мин).

Безмасляные компрессоры используются в тех случаях, когда унос масла недопустим, например, в медицинских исследованиях и производстве полупроводников. Однако это не исключает необходимости фильтрации, поскольку углеводороды и другие загрязнения, попавшие в организм из окружающего воздуха, также должны быть удалены до момента использования. Следовательно, для обеспечения качества сжатого воздуха часто требуется обработка воздуха, идентичная той, которая используется для маслозаполненных винтовых компрессоров.

В небольших поршневых компрессорах плотники-домовладельцы иногда используют «безмасляные» компрессоры, в которых «безмасляные» подразумевают не использование масла, а покрытие тефлонового типа, постоянно прилипающее к изнашиваемым поверхностям.

Масловпрыскиваемый

Схема ротационно-винтового компрессора

В винтовых компрессорах с впрыском масла масло впрыскивается в полости сжатия для обеспечения герметизации и охлаждения газового заряда. Масло отделяется от выходящего потока, охлаждается, фильтруется и перерабатывается. Масло улавливает неполярные частицы из входящего воздуха, эффективно снижая количество частиц при фильтрации твердых частиц в сжатом воздухе. Обычно некоторое количество захваченного компрессорного масла попадает в поток сжатого газа после компрессора. Во многих случаях это устраняется с помощью коагуляторных /фильтрующих сосудов. Охлаждаемые осушители сжатого воздуха с внутренними холодными коалесцирующими фильтрами рассчитаны на удаление большего количества масла и воды, чем коалесцентные фильтры, расположенные после осушителей воздуха, поскольку после охлаждения воздуха и удаления влаги холодный воздух используется для предварительного охлаждения горячего воздуха. входящий воздух, который нагревает выходящий воздух. В других приложениях это исправляется использованием ресиверов, которые уменьшают местную скорость сжатого воздуха, позволяя маслу конденсироваться, выпадать из воздушного потока и удаляться из системы сжатого воздуха с помощью оборудования для удаления конденсата.

Маслозаполненные винтовые компрессоры используются в самых разных областях применения, включая сжатие воздуха, охлаждение газа , переработку углеводородов и использование энергии из низкопотенциальных источников тепла. Размеры варьируются от небольших воздушных компрессоров для мастерских до тяжелых промышленных компрессоров мощностью 8 400 кВт (11 300 л.с.) с выходным давлением до 60 бар (870 фунтов на квадратный дюйм). Новые маслозаполненные винтовые воздушные компрессоры выделяют <5 мг/м3 уноса масла.

Смазочные материалы, полиалкиленгликоль (ПАГ), полиальфаолефины (ПАО), минеральные масла.

Масло PAG представляет собой полиалкиленгликоль, который также называют полигликолем . Масло PAG полностью сгорает, не оставляя остатков, и используется в качестве масла -носителя для твердых смазочных материалов для высокотемпературной смазки цепей. Некоторые версии пригодны для пищевых продуктов и биоразлагаемы. Смазочные материалы PAG используются двумя крупнейшими производителями воздушных компрессоров в США в винтовых воздушных компрессорах. Компрессоры с масляным впрыском ПАГ не используются для распыления краски, поскольку масло ПАГ растворяет краски. Реакционно-твердеющие двухкомпонентные краски на основе эпоксидной смолы устойчивы к воздействию масла PAG.

Полигликоли несовместимы со смазками на основе минеральных масел. Смесь полигликолей с минеральными маслами представляет собой желеобразную липкую массу. Силиконовая смазка допускает использование полигликолей. Один производитель пневматического управления наносит силиконовую смазку на уплотнения и прокладки.

Компрессоры, смазываемые минеральным маслом (но не полиалкиленгликолевым маслом), рекомендуются для уплотнений, покрытых смазкой из минерального масла, таких как пневматические высокоскоростные 4-ходовые клапаны и воздушные цилиндры, которые работают без масленок с минеральным маслом. Один производитель оценил свои пневматические высокоскоростные 4-ходовые клапаны на срок службы 50 миллионов циклов, если они не подвергаются воздействию полигликолевых масел.

Полиальфаолефиновое масло ПАО совместимо со смазками на основе минеральных масел.

Конический винтовой компрессор

Основная статья: Конический винтовой компрессор

Относительно недавно разработанный конический винтовой компрессор по сути представляет собой коническое спиральное продолжение геротора . Он не имеет характерного пути утечки «выбросов», который в хорошо спроектированных винтовых компрессорах приводит к значительным утечкам через узел. Это позволяет роторам гораздо меньшего размера иметь практическую эффективность, поскольку при меньших размерах площадь утечки не становится такой большой частью площади накачки, как в прямовинтовых компрессорах. В сочетании с уменьшением диаметра конусообразного ротора это также обеспечивает гораздо более высокую степень сжатия в одной ступени с более низкой пульсацией на выходе.

Схемы управления

Среди ротационно-винтовых компрессоров существует несколько схем управления, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.

Старт/Стоп

В схеме управления пуском/остановом органы управления компрессором активируют реле для подачи и отключения питания двигателя в соответствии с потребностями в сжатом воздухе. В большинстве случаев использования требуется значительный объем памяти, если нагрузка непостоянная или плохо согласована с компрессором, требуемый объем памяти часто будет больше, чем сам компрессор.

Загрузка/выгрузка

В схеме управления нагрузкой/разгрузкой компрессор остается включенным постоянно. Однако когда потребность в сжатом воздухе удовлетворяется или снижается, вместо отключения питания компрессора активируется устройство, известное как золотниковый клапан. Это устройство открывает часть ротора и пропорционально снижает мощность машины, обычно до 25% мощности компрессора, тем самым разгружая компрессор. Это уменьшает количество циклов пуска/останова электродвигателей по сравнению со схемой управления пуском/остановом в компрессорах с электроприводом, увеличивая срок службы оборудования при минимальном изменении эксплуатационных затрат. Когда схема управления нагрузкой/разгрузкой сочетается с таймером для остановки компрессора после заданного периода непрерывной работы без нагрузки, это называется схемой двойного управления или автоматической двойной схемой. Эта схема управления по-прежнему требует хранения, поскольку существует только две скорости производства, соответствующие потреблению, хотя это значительно меньше, чем в схеме «старт/стоп».

Модуляция

Роторно-винтовой воздушный компрессор в корпусе для шумоизоляции

Вместо запуска и остановки компрессора золотниковый клапан, как описано выше, непрерывно модулирует производительность в соответствии с потребностями, а не контролируется поэтапно. Хотя это обеспечивает постоянное давление нагнетания в широком диапазоне требований, общее энергопотребление может быть выше, чем при схеме нагрузки/разгрузки, что приводит к примерно 70% энергопотребления при полной нагрузке, когда компрессор находится в состоянии нулевой нагрузки.

Из-за ограниченной возможности регулирования потребляемой мощности компрессора относительно выходной мощности сжатого воздуха, модуляция, как правило, является неэффективным методом управления по сравнению с приводами с регулируемой скоростью. Однако для применений, где невозможно часто останавливать и возобновлять работу компрессора (например, когда компрессор приводится в действие двигателем внутреннего сгорания и работает без ресивера сжатого воздуха), модуляция подходит. Бесступенчатая производительность также устраняет необходимость в значительном объеме хранения, если нагрузка никогда не превышает производительность компрессора.

Переменный объем

Используемый компрессорными компаниями Quincy Compressor, Kobelco , Gardner Denver , Kaishan USA и Sullair , переменный рабочий объем изменяет процент роторов винтовых компрессоров, работающих на сжатие воздуха, позволяя потоку воздуха обходить части винтов. Хотя это действительно снижает энергопотребление по сравнению со схемой модуляционного управления, система загрузки/выгрузки может быть более эффективной при больших объемах хранилища (10 галлонов на кубический фут в минуту). Если большой объем хранилища нецелесообразен, система переменного рабочего объема может быть очень эффективной, особенно при полной загрузке более 70%.

Одним из способов достижения переменной производительности является использование нескольких подъемных клапанов на стороне всасывания компрессора, каждый из которых подключен к соответствующему месту на нагнетании. В автомобильных нагнетателях это аналогично работе перепускного клапана.

Переменная скорость

В то время как воздушный компрессор, приводимый в действие приводом с регулируемой скоростью, может предложить самые низкие эксплуатационные затраты на электроэнергию без какого-либо заметного сокращения срока службы по сравнению с правильно обслуживаемым нагрузочно-разгрузочным компрессором, силовой инвертор с регулируемой частотой привода с регулируемой скоростью обычно добавляет значительные стоимость конструкции такого компрессора, что снижает его экономическую выгоду по сравнению с нагрузочно-разгрузочным компрессором подходящего размера, если потребность в воздухе постоянна. Однако привод с регулируемой скоростью обеспечивает почти линейную зависимость между потребляемой мощностью компрессора и свободной подачей воздуха, обеспечивая наиболее эффективную работу в очень широком диапазоне потребности в воздухе. Компрессору по-прежнему придется переходить в режим пуска/останова при очень низком потреблении, поскольку эффективность по-прежнему быстро падает при низкой производительности из-за утечек в роторе. В суровых условиях (жаркая, влажная или пыльная) электронику приводов с регулируемой скоростью, возможно, придется защищать, чтобы сохранить ожидаемый срок службы.

Нагнетатели

Винты Лисхольма. Обратите внимание на сложную форму каждого винта. Винты вращаются на высокой скорости и с тщательно подобранными допусками .

Нагнетатель двухвинтового типа представляет собой устройство объемного типа, которое работает, проталкивая воздух через пару находящихся в зацеплении винтов с малым допуском, аналогичных набору червячных передач. Двухвинтовые нагнетатели также известны как нагнетатели (или компрессоры ) Лисхольма в честь их изобретателя Альфа Лисхольма . Каждый ротор радиально симметричен, но латерально асимметричен. Для сравнения, обычные воздуходувки типа «Рутс» имеют либо идентичные роторы (с прямыми роторами), либо роторы зеркального отображения (со спиральными роторами). Мужской ротор производства Whipple имеет три лопасти, женский - пять лепестков. Мужской ротор Кенне-Белл имеет четыре лепестка, женский - шесть лепестков. У самок в некоторых более ранних конструкциях их было четыре. Для сравнения, воздуходувки Рутса всегда имеют одинаковое количество лопастей на обоих роторах, обычно 2, 3 или 4.

Сравнительные преимущества

Ротационный винтовой компрессор имеет низкий уровень утечек и низкие паразитные потери по сравнению с компрессором типа Рутса. Нагнетатель обычно приводится непосредственно от коленчатого вала двигателя через ременную или зубчатую передачу. В отличие от нагнетателя типа Рутса , двухвинтовой компрессор демонстрирует внутреннее сжатие, которое представляет собой способность устройства сжимать воздух внутри корпуса по мере его перемещения через устройство, вместо того, чтобы полагаться на сопротивление потоку после нагнетания для создания увеличения давления. .

Требование высокоточных технологий производства с компьютерным управлением делает нагнетатель винтового типа более дорогой альтернативой другим формам доступной принудительной индукции. Благодаря более поздним технологиям производственные затраты были снижены, а производительность возросла.

Все типы нагнетателей выигрывают от использования промежуточного охладителя для уменьшения выделения тепла во время накачки и сжатия.

Наглядный пример технологии, применяемой двухвинтовым двигателем в таких компаниях, как Ford , Mazda , Mercedes и Mercury Marine, также может продемонстрировать эффективность двухвинтового двигателя. Хотя некоторые центробежные нагнетатели стабильны и надежны, они обычно не обеспечивают полного наддува до тех пор, пока обороты двигателя не будут близки к пиковым, в то время как нагнетатели объемного типа, такие как нагнетатели типа Рутса и двухвинтовые нагнетатели, обеспечивают более мгновенный наддув. В дополнение к этому, двухвинтовые нагнетатели могут поддерживать разумный наддув на более высоких оборотах лучше, чем другие нагнетатели объемного типа.

Связанные термины

Термин «вентилятор» обычно используется для определения устройства, установленного на двигателях с функциональной потребностью в дополнительном потоке воздуха, таких как 2-тактный дизельный двигатель , где положительное давление на впуске необходимо для «продувки» или удаления отработанных выхлопных газов из двигателя. цилиндр и нагнетать свежий впускной заряд в цилиндр перед тактом сжатия. Термин «нагнетатель» применяется к ротационно-винтовым, компрессорам типа Рута и центробежным компрессорам, когда они используются как часть автомобильной системы принудительной индукции . Термин «вентилятор кабины» также используется для наддува самолетов для полетов на большой высоте, в которых использовались компрессоры типа Рутса, особенно в 1950-х годах (см. Нагнетатель Marshall ).

См. также

• Газовый компрессор
• Компрессор с направляющим ротором
• Поршневой компрессор
• Парокомпрессионное охлаждение
• Воздушный компрессор с регулируемой скоростью