Компрессор

Главная → Устройство тормозов

Схема поршневого компрессора с одной рабочей камерой и тронковым поршнем: 1 — всасывающий патрубок: 2 — камера всасывания: 3 — всасывающие кла­паны; 4 — цилиндр; 5 — поршень; 6 шатун; 7 — коленчатый вал; 8 — камера нагнетения: 9 — нагнетательные клапаны: 10 — нагнетательный патрубок

Компрессоры КТ-6 и КТ-7

Компрессор (от лат. compressio — сжатие) — энергетическая машина или устройство для повышения давления (сжатия) и перемещения газообразных веществ. В компрессорах происходит преобразование энергии, подводимой двигателем к валу, в энергию проходящих через них газов.

Классификация

по принципу действия

Способ передачи энергии является основой классификации компрессоров по принципу действия. Все многообразие компрессорных ма­шин можно подразделить на

• объемные,
• динамические,
• струйные.

В объемных компрессорах передача энергии от двигателя к газу происходит в рабочей камере, периодически изменяющей объем из-за перемещения двигателем привода одной или нескольких ее стенок. В процессе изменения объема камера поочередно соединяется с полостью низкого и высокого давления газа, а некоторое время отсоединена от обеих полостей. За полный период измене­ния объема камеры газ, находящийся в ней, переместится из полости низкого в полость высокого давления. При этом двигате­лем производится работа для перемещения стенок камеры. К объемным компрессорам относятся все виды поршневых, винтовых и роторных машин.

В динамических или турбокомпрессорных машинах передача энергии к газу происходит непрерывно во вращающемся рабочем колесе, снабженном лопатками. При обтекании потоком газа решетки из профилей лопаток вращающегося колеса возникает подъемная сила, вызывающая ускорение потока, увеличение его скорости и давления. В дальнейшем в неподвижных элементах происходит добавочное увеличение давления за счет преобразования кинетической энергии газа. К динамическим компрессорам относятся центробежные, диагональные, осевые и вихревые машины.

В струйных компрессорах повышение давления основано на увлечении сжимаемого газа струей пара, жидкости или газа.

по создаваемым давлениям нагнетания

Все многообразие компрессоров можно подразделить на следующие группы по создаваемым ими давлениям нагнетания (давление перед всасывающим патрубком принято равным атмосферному).

1. Компрессоры низкого давления, сжимающие газ до 1 МПа. В настоящее время в связи с тем, что для некоторого пневматического оборудования требуются более высокие давления (до 1,3 МПа), целесообразно, no-видимому, повысить границу давления компрессоров низкого давления до 1,5 МПа. Такие машины называют часто компрессорами общепромышленного или общего назначения. Подобного давления требуют пневматические инструменты, машины, приспособления и другие устройства, позволяющие заменять мускульную силу человека работой машин. Компрессоры низкого давления изготавливаются очень большими сериями и являются наиболее распространенным типом машин.

2. Компрессоры среднего давления, сжимающие газы до 10 МПа. Такие давления используются в некоторых химических производствах, холодильной технике, системах автоматического регулирования, пусковых устройствах двигателей внутреннего сгорания, при гашении искры в электрических выключателях, транспортировке газа и т. д. Подобные компрессоры изготовляются уже меньшими сериями.

3. Компрессоры высокого давления создают давления до 100 МПа. Подобные компрессоры используются в производстве азотных удобрений, некоторых видов полиэтиленов, синтетических бензинов, мочевины н т. д. Такие компрессоры делаются еще более мелкими сериями.

4. Компрессоры сверхвысокого давления повышают давление газа выше 100 МПа. Верхний предел не ограничен. Такие ком-прессоры изготавливаются, как правило, индивидуально или очень небольшими сериями. Сверхвысокое давление используется при производстве некоторых видов полиэтиленов, в порошковой металлургии и других производствах.

Объемные компрессоры используются и как вакуум-насосы, создавая пониженное (относительно атмосферного) давление газа в системах. Технологические процессы с давлениями газа ниже атмосферного нашли также широкое распространение- Поршневые вакуум-насосы (так называют компрессоры, создающие разрежение) могут понизить давление в системе до 10² Па.

по величине производительности

Компрессорные машины подразделяются также по величине производительности. Под производительностью понимают количество газа, подаваемого компрессором потребителю за единицу времени. В том случае, если производительность выражается в единицах объема за время, то объем определяется при параметрах газа перед всасывающим патрубком компрессора. Выражен¬ная таким образом производительность называется приведенной, а количество газа, подаваемое за один ход поршня, называют подачей. По приведенной производительности поршневые компрессоры подразделяются на следующие группы.

1. Микрокомпрессоры, производительность которых изменяется в пределе от 0 до 3-10-4 м9/с. Подобные машины исполь-зуются для специальных целей в приборостроении, медицине и т. д.

2. Мини-компрессоры, производительность которых изменяется от 3-Ю-4 до 0,01 м’/с. Эту группу составляют некоторые виды транспортных компрессоров, подающих сжатый воздух в тормозные системы, лабораторные компрессоры и т. д.

3. Компрессоры малой производительности с диапазоном ее изменения от 0,01 до 0,1 м®/с. Они используются чаще всего как машины общепромышленного назначения с давлением нагнетания до 1,5 МПа, в передвижных компрессорных установках и т. д.

4. Компрессоры средней производительности с диапазоном ее изменения от 0,1 до 1 мя/с. Основную часть этой группы составляют компрессоры общего назначения, используемые на компрессорных станциях заводов, шахт, рудников.

5. Компрессоры большой производительности. Они имеют про¬изводительность больше 1 м9/с и используются в основном на химических комбинатах. Широко используются на ком-прессорных станциях машины производительностью 1,66 v?/c.

Изготовляются машины и несколько большей производительности.

по виду сжимаемого газа

Подразделяются поршневые компрессоры и по виду сжимаемого газа на воздушные, азотно-водородные, этиленовые, азотные, кислородные, гелиевые, водородные, хлорные и т. д. Классификация по виду сжимаемого газа в какой-то мере указывает на особенности конструкции компрессора. Например, гелиевые и водородные компрессоры сжимают очень текучие газы и требуют специальных уплотнений поршня и штоков. Иногда компрессоры подразделяют по виду двигателя привода на электрокомпрессоры, компрессоры с приводом от паровой машины и с приводом от двигателей внутреннего сгорания.

Несмотря на многие признаки, по которым классифицируются компрессоры, 
основную классификацию будем проводить по создаваемому давлению и производительности.

Поршневые компрессоры

Поршневые компрессоры являются наиболее распространен-ными и используемыми, когда требуются малые производитель-ности при любых давлениях. Это микро-, мини- и малые ком-прессоры производительностью до 0,1 м9/с. Поршневые компрес-соры средней производительности общепромышленного назначе-ния конкурируют с винтовыми компрессорами. Если с точки зрения затрат энергии поршневые компрессоры имеют преимуще¬ства перед всеми другими типами компрессоров,, то по металло¬емкости, габаритным размерам, ремонтопригодности и межремонт¬ному циклу они уступают другим машинам и, как правило, они более дорогие, чем винтовые. При потребности в больших производительностях преимуще-ство имеют машины динамического действия, т. е. осевые и центробежные компрессоры. Для получения высоких и сверхвысоких давлений газа исполь-зуются пока только поршневые компрессоры, так как нет еще других типов машин, которые были бы способны в промышленных условиях создавать давления 100—350 МПа при сравнительно небольших производительностях. Поршневой компрессор как машина для сжатия и перемещения газа был впервые использован для подачи воздуха в металлургическую печь в 1765 г, Его изобретателем и изготовителем был знаменитый творец паровой машины И. И. Ползунов. Почти до конца XIX в. поршневые компрессоры были единственным типом воздуходувных машин, применяемых в промышленности. В конце XIX в. появились новые типы быстроходных двигателей — паровые турбины и электрические двигатели, которые дали возможность экономично использовать центробежные компрессоры. Изобретателем центробежного компрессора считается генерал И. И. Саблуко. Уже в начале XX в. центробежные компрессоры вытеснили поршневые из металлургии при подаче газа в печи. В 1940-х гг. шведский инженер Лисхольм изобрел винтовой компрессор. После длительной доработки конструкции и технологии изготовления этих машин в 1970—1980-х гг. они стали основными в передвижных компрессорных установках и конкурируют с поршневыми в стационарных установках. В 1960-е г. появились и начали интенсивно внедряться в промышленность поршневые компрессоры без подачи смазки в цилиндры.

В настоящее время некоторые компрессоры изготавливаются в двух вариантах: со смазкой минеральными маслами и без нее

бескрейцкопфные и крейцкопфные

Поршневые компрессоры могут быть разделены на два обширных типа: бескрейцкопфные и крейцкопфные.

• Бескрейцкопфные компрессоры малой производительности отличаются простотой конструкции, имеют лучшие массогабарит¬ные характеристики, вследствие чего помимо использования в ста¬ционарных условиях они получили широкое распространение в передвижных и транспортных установках, где требования ком¬пактности и малой массы особенно существенны. Этот тип ком¬прессоров выполняется с тронковыми и дифференциальными поршнями (рис. 4.1). Площадь поверхности поршня, обращенная к картеру, остается нерабочей при тронковом поршне (рис. 4.1, а), а при дифференциальном — она может быть использована лишь частично (рис. 4.1,6).

Роль крейцкопфа в бескрейцкопфных компрессорах выполняет сам поршень, через него на стенки цилиндра передается нормаль¬ная составляющая поршневой силы. Последнее ведет к повышен¬ному износу поршня и цилиндра и росту утечек газа через поршне¬вое уплотнение, которые поступают в картер. При сжатии токсич¬ных и взрывоопасных газов необходимо принимать специальные меры (делать картер герметичным с уплотненным- выводом вала) для предотвращения попадания газа в машинный зал. В бес-крейцкопфных компрессорах для смазки цилиндров и механизма движения используют компрессорные масла, обладающие доста-точной вязкостью при высокой температуре стенок рабочей ка-меры, но излишне вязкие для механизма движения, что ведет к дополнительным затратам работы на механическое трение. Бескрейцкопфные компрессоры уступают крейцкопфным по потерям на трение, кроме того, при равных производительностях они имеют большие диаметры поршней. Основные преимущества бескрейцкопфных компрессоров — малая масса и габаритные размеры. С экономической точки зрения область их рационального применения ограничивается мощностью 40—50 кВт. Более крупные компрессоры целесообразно выполнять крейцкопфными.

по расположению осей цилиндров в пространстве

Поршневые компрессоры по расположению осей цилиндров в пространстве подразделяются на вертикальные, горизонтальные в угловые. Наиболее распространены угловые компрессоры с осями цилиндров, симметричными вертикали (V- и Ш-образные), и вертикально-горизонтальные (П-об разные или прямоугольные).

Вертикальные компрессоры

Они занимают меньшую площадь, но при большей производительности значительно высоки и сложны в обслуживании. Цилиндры вертикальных крейцкопфных компрессоров имеют меньший и равномерный износ, вертикально направленные силы инерции лучше гасятся фундаментом, в результате чего его можно облегчить. Температурные и упругие деформации в вертикальных компрессорах свободны.

Горизонтальные компрессоры

Горизонтальными выполняются, как правило, крупные крейцкопфные компрессоры средней и большой производительности. Широкое распространение получили оппозитные компрессоры благодаря возможности выполнения их многорядными с расположением в каждом ряду одного цилиндра (см. рис). В ступенях низкого давления, где объем сжимаемого газа велик, появилась возможность иметь два и более цилиндров в нескольких рядах. Поэтому диаметры цилиндров и поршней оказались значительно меньшими, чем в горизонтальных компрессорах прежних конструкций с рас¬положением цилиндров по одну сторону вала и с дифференциальными поршнями. Это дало возможность существенно уменьшить массу подвижных частей и тем самым значения сил инерции. При этом силы инерции в противолежащих рядах могут быть полностью уравновешены. Снижение нагрузок на механизм движения и хорошая уравновешенность в оппозитных компрессорах сделали возможным увеличение частоты вращения вала в два-три раза, что, в свою очередь, позволило уменьшить размеры цилиндров и компрессоров в целом.

Вследствие взаимного уравновешивания инерционных сил, действующих в противолежащих рядах компрессора, коренные подшипники вала оказываются разгруженными, силы инерции, а в некоторых компоновках и моменты этих сил не передаются на фундамент (возможна установка компрессора на относительно небольших фундаментах). При высокой частоте вращения масса ротора электродвигателя оказывается достаточной для обеспечения необходимого махового момента без дополнительного маховика. По сравнению с горизонтальными компрессорами, у которых цилиндры размещены по одну сторону от коленчатого вала, у оппозитных компрессоров удельная масса в 1,9 раза, а занимаемая площадь в 1,4 раза меньше.

Угловые компрессоры

Этот тип компрессоров выполняют V-, III-, вееро- и звездообразными и, в основном, с одноколенным валом, к которому присоединяют до четырех шатунов. В угловых компрессорах, особенно при веерообразном и звездообразном исполнении, могут использоваться также прицепные шатуны, присоединяемые к нижней головке основного шатуна. Промышленностью также выпускаются угловые компрессоры в сдвоенном исполнении с двухколенным валом.

Вертикально-горизонтальный крейцкопфный компрессор с двухколенным валом. Угловые компрессоры малой производительности выполняются бескрейцкопфными, средней — с крейцкопфом. Основные преимущества угловых компрессоров: достаточно хорошо уравновешены с помощью противовесов (как правило, удается полностью уравновесить силы инерции первого порядка, но силы инерции второго порядка остаются свободными); цилиндры значительно удалены друг от друга; в пространстве между рядами вертикально-горизонтальных машин может быть расположен промежуточный холодильник; простота конструкции и малая длина вала, что способствует применению подшипников качения; удобство монтажа.

Пример вертикально-горизонтального исполнения двухступенчатого крейцкопфного воздушного компрессора.

В схему поршневого компрессора входят: база, т. е. число и взаимное расположение рядов компрессора; распределение ступеней между рядами и внутри ряда; крейцкопф (если он есть). Схема компрессора зависит от его назначения, производительности, давления, специальных требований и т. д. Так, компрессоры транспортные и передвижных установок должны быть легкими, компактными, хорошо уравновешенными; крупные поршневые компрессоры — экономичными и надежными. В зависимости от того, как составлена схема компрессора, она влияет на величину утечки газа, износ поршней, степень уравновешенности, размеры маховика и т. д. По этим причинам число используемых схем очень велико.

Наиболее простой механизм движения имеют однорядные компрессоры, тем не менее они встречаются сравнительно редко, ввиду преимуществ многорядного исполнения, которое позволяет добиться более гладкой диаграммы противодействующего момента, уменьшить поршневые силы, сократить число ступеней в ряду. При распределении ступеней между рядами и внутри одного ряда стремятся к уравниванию поршневых сил, улучшению уплотнений, облегчению монтажа и демонтажа ряда и сокращению размеров компрессора. При выборе расположения цилиндров следует учитывать вопросы размещения межступенчатых коммуникаций.

Принцип действия поршневого ком­прессора

Рассмотрим более подробно рабочий цикл поршневого ком­прессора, в котором изменение объема рабочей камеры (цилиндра) происходит при возвратно-поступательном движении поршня. Рассмотрим схему наиболее простой конструкции поршневого компрессора с тронковым поршнем. Ее образуют неподвижные стенки втулки цилиндра, клапанная плита с раз­мещенными в ней клапанами линий всасывания (всасывающими), нагнетания (нагнетательными) и подвижным поршнем, переме­щающимся двигателем компрессора с помощью кривошипно­-шатунного механизма. Обозначим камеру буквой А.

Начальные давление р_н и температуру Т_н газа перед всасывающим отверстием (патрубком) и конечные после нагнетательного патрубка р_к и Т_к считаем постоянными в течение всего цикла компрессора. При движении поршня от клапанной плиты к коленчатому валу объем камеры А увеличивается, и давление газа в ней снижается. Под разностью давления газа перед всасы­вающим патрубком р_н и в цилиндре р_ц откроются линии всасы­вания и газ поступит в цилиндр, заполняя его увеличивающийся объем. Этот процесс называется всасыванием.

Увеличение объема цилиндра происходит до достижения поршнем нижней мертвой точки, т. е. наибольшего приближения к коленчатому валу. В этот момент еще р_ц меньше р_н, клапаны линии всасывания открыты и газ продолжает поступать в ци­линдр. Перемена направления движения поршня вызовет умень­шение объема цилиндра и повышение давления в нем как за счет уменьшения объема, так и поступления свежего газа. В момент сравнивания величин давления в цилиндре и полости всасывания клапаны линий всасывания закроются, камера А станет замкнутой. Процесс всасывания при самодействующих клапанах в сту­пени заканчивается уже при обратном ходе поршня. Дальнейшее движение поршня от вала к крышке вызывает повышение давления газа р_ц и температуры Т_ц из-за уменьшения объема камеры. Происходит процесс сжатия газа.

Процесс сжатия заканчивается при некотором превышении давления в цилиндре над давлением в полости нагнетания и открытия из-за этого клапанов линии нагнетания. При этом камера перестает быть замкнутой и при дальнейшем движении поршня газ будет выталкиваться в полость нагнетания, а затем в сеть. Процесс вытеснения газа из камеры называется нагнетанием или вытеснением. Он заканчивается в момент наибольшего удаления поршня от вала, т. е. в верхней мертвой точке. Обычно к этому моменту в полости нагнетания и цилиндре давления выравниваются, клапаны линии нагнетания закрываются и рабочая ка­мера опять становится замкнутой. В этот момент объем камеры наименьший, он и называется мертвым пространством. При перемене направления движения поршня в верхней мертвой точке объем камеры начнет возрастать, а давление и температура газа — падать. Процесс этот называется расширением и заканчивается в момент достижения в камере давления, равного давлению в полости всасывания, и открытия клапанов линии всасывания. Процессы всасывания, сжатия, нагнетания и расширения образуют вместе цикл компрессора.

В компрессорах с ласковым поршнем и крейцкопфом рабочие камеры образуются по обе стороны поршня и рабочие циклы в них смещены относительно друг друга на половину оборота колен­чатого вала, В различных типах поршневых компрессоров — бескривошипных, осепоршневых, свободнопоршневых дизель-компрессорах и большинстве ротационных и винтовых машин процессы в рабочих камерах практически аналогичны и отличаются кинематикой движения поршня и органами газораспределения.

На железнодорожном подвижном составе

На железнодорожном подвижном составе применяют поршневые компрессоры. Эффект компрессии создается за счет уменьшения объема газа при движении поршня в цилиндре. Всасывающие и нагнетательные клапаны поджаты пружиной и работают автоматически под действием перепада давления, возникающего между цилиндром компрессора и давлением в трубопроводе при движении поршня.

Компрессоры КТ-6, КТ-7 и КТ-бЭл широко применяются на тепловозах и электровозах. Компрессоры КТ-6 и КТ-7 приводятся в действие либо от коленчатого вала дизеля, либо от электродвигателя, как, например, на тепловозах 2ТЭ116. Компрессоры КТ-бЭл приводятся в действие от электродвигателя.

Компрессор КТ6

Компрессор КТ6 двухступенчатый, трехцилиндровый с W-образным расположением цилиндров и воздушным охлаждением оборудован устройством для перехода на холостую работу при вращающемся коленчатом вале. Выпускаются модификации компрессоров КТ6. КТбЭл и КТ7 Компрессоры КТ6 и КТ7 в основном применяются па тепловозах, снабжены разгрузочными устройствами, маслоотделителями и имеют привод через редуктор от главного вала дизеля. Устанавливаемый на некоторых сериях электровозов компрессор КТбЭл не оборудован разгрузочными устройствами и маслоотделителями и имеет привод от электродвигателя.

Литература

• Пархомов В. Т. Устройство и эксплуатация тормозов: Учеб. для техн. школ. — М.: Транспорт, 1994. — 208 с.
• Афонин Г. С. Устройство и эксплуатация тормозного оборудования подвижного состава: учебник для нач. проф. образования / Г.С.Афонин, В.Н.Барщенков, Н.В. Кондратьев. — 2-е изд., стер. — М.: Издательский центр «Академия», 2006. — 304 с.