2130
правок
Изменения
Перейти к навигации
Перейти к поиску
Строка 30:
Строка 30: − + − + − + − + − + − + − + − зуют вместе цикл компрессора.+ − + − + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
→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 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.
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, переме щающимся двигателем компрессора с помощью кривошиино шатунного механизма. Обозначим камеру буквой А.
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 кривошиино шатунного механизма. Обозначим камеру буквой А.
Начальные давление ри и температуру Т? газа перед всасы вающим отверстием (патрубком) и конечные после нагнетательного патрубка рк н 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 всасы вающим патрубком рн и в цилиндре откроются линии всасы вания 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 рп меньше рп, клапаны линии всасывания открыты и газ продолжает поступать в ци линдр. Перемена направления движения поршня вызовет умень шение 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 замкну той. Процесс всасывания при самодействующих клапанах в сту пени заканчивается уже при обратном ходе поршня.
Начальные давление р<sub>н</sub> и температуру Т<sub>н</sub> газа перед всасывающим отверстием (патрубком) и конечные после нагнетательного патрубка р<sub>к</sub> и Т<sub>к</sub> 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 рТ<sub>н</sub> и в цилиндре р Т<sub>ц</sub> откроются линии всасывания и газ поступит в цилиндр, заполняя его увеличивающийся объем. Этот процесс называется всасыванием.
Дальнейшее движение поршня от вала к крышке вызывает повышение давления газа р* и температуры Тц из-за уменьшения объема камеры. Происходит процесс сжатия газа.
Процесс сжатия заканчивается при некотором превышении давления в цилиндре над давлением в полости нагнетания и откры тия 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.
Увеличение объема цилиндра происходит до достижения поршнем нижней мертвой точки, т. е. наибольшего приближения к коленчатому валу. В этот момент еще р<sub>ц</sub> меньше р<sub>н</sub>, 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 сту пени заканчивается уже при обратном ходе поршня.
Процесс вытеснения газа из камеры называется нагнетанием или вытеснением. Ои заканчивается в момент наибольшего удале ния поршня от вала, т. е. в верхней мертвой точке. Обычно к этому моменту в полости нагнетания и цилиндре давления выравни ваются, 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 по лости всасывания, и открытия клапанов линии всасывания.
Дальнейшее движение поршня от вала к крышке вызывает повышение давления газа р<sub>ц</sub>* и температуры ТТ<sub>ц</sub> из-за уменьшения объема камеры. Происходит процесс сжатия газа.
Процессы всасывания, сжатия, нагнетания и расширения обра
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.
В компрессорах с ласковым поршнем и крейцкопфом рабочие камеры образуются по обе стороны поршня и рабочие никлы в них смещены относительно друг друга на половину оборота колен чатого вала, В различных типах поршневых компрессоров — бескрпвошип- пых, осепоршнешх, свободнопоршневых дпзель-компрессорах и большинстве ротационных и винтовых машин процессы в рабочих
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.
камерах практически аналогичны и отличаются
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, осепоршнешх, свободнопоршневых дизель-компрессорах и большинстве ротационных и винтовых машин процессы в рабочих камерах практически аналогичны и отличаются кинематикой движения поршня и органами газораспределения.
==Классификация==
Все многообразие компрессоров молено подразделить на сле- дуюодне группы ио создаваемым ими давлениям нагнетания (дав-ление перед всасывающим патрубком принято равным атмосфер-ному).
1. Компрессоры низкого давления, сжимающие газ до 1 МПа. В настоящее время в связи с тем, что для некоторого пневматиче-ского оборудования требуются более высокие давления (до 1,3 МПа), целесообразно, no-видимому, повысить границу давле¬ния компрессоров низкого давления до 1,5 МПа. Такие машины называют часто компрессорами общепромышленного или общего назначения. Подобного давления требуют пневматические инстру¬менты, машины, приспособления и другие устройства, позволя¬ющие заменять мускульную силу человека работой машин. Ком¬прессоры 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 сго¬рания, при гашении искры в электрических выключателях, транс¬портировке 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, синтетиче-ских 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- Поршне-
Рис В-2. Области преиму¬щественного применения ком¬прессоров!
1 <— объемный поршневых: 2 — динамического действия (цен¬тробежных и осевых): 3 — объ« емных винтовых к реляционных; ——— практическое приме¬нение; — — “ в перспектива
вые вакуум-насосы (так называют компрессоры, создающие разрежение) могут понизить давле¬ние в системе до 102Па.
Компрессорные ма¬шины подразделяются также по величине про¬изводительности. 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 параме¬трах 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 ком¬прессоры подразделяются на следующие группы.
1. Микрокомпрессоры, производительность которых изме-няется 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 изме-няется от 3-Ю-4 до 0,01 м’/с. Эту группу составляют некоторые виды транспортных компрессоров, подающих сжатый воздух в тор¬мозные 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 состав¬ляют компрессоры общего назначения, используемые на компрес¬сорных 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 в СССР на ком-прессорных станциях машины производительностью 1,66 v?/c. Изготовляются машины и несколько большей производитель-ности.
Подразделяются поршневые компрессоры и по виду сжимаемого газа на воздушные, а зотно-водородные, этиленовые, азотные, кислородные, гелиевые, водородные, хлорные и т. д. Классифи¬кация 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 па-ровой машины и с приводом от двигателей внутреннего сго¬рания.
Несмотря на многие признаки, по которым классифицируются компрессоры, основную классификацию будем проводить по соз-даваемому давлению и производительности. На рис. В.2 дана диаграмма рационального использования различных типов ком-прессорных машин в зависимости от создаваемого давления и производительности.
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
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 мощ¬ностью 40—50 кВт. Более крупные компрессоры целесообразно выполнять крейцкопфными.
Поршневые компрессоры по расположению осей цилиндров в пространстве подразделяются на вертикальные, горизонтальные в угловые. Наиболее распространены угловые компрессоры с осями цилиндров, симметричными вертикали (У- и Ш-образные), и вертикально-горизонтальные (П-об разные или прямоугольные).
Вертикальные компрессоры. Онн занимают меньшую площадь, но при большей производительности значительно высоки и сложны в обслуживании. Цилиндры вертикальных крейцкопфных ком-
гасятся фундаментом, в результате чего его можно облегчить. Температурные и упругие дефор¬мации в вертикальных компрессорах свободны.
Горизонтальные компрессоры. Горизонтальными выполняются, как правило, крупные крейцкопфные компрессоры средней и большой производительности. Широкое распространение в послед¬возможность выполнения нх многорядными с расположением в каждом ряду одного цилиндра (рис. 4.2). В ступенях низкого давления, где объем сжимаемого газа велик, появилась возмож¬ность 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 дифференциаль¬ными поршнями. Это дало возможность существенно уменьшить массу подвижных частей н тем самым значения сил инерции. При этом силы инерции в противолежащих рядах могут быть полностью уравновешены. Снижение нагрузок на механизм дви¬жения 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 махо-вика.
По сравнению с горизонтальными компрессорами, у которых цилиндры размещены по одну сторону от коленчатого вала, у оп-позитных компрессоров удельная масса в 1,9 раза, а занимаемая площадь в 1,4 раза меньше.
Пример горизонтального оппозитного исполнения двухступенчатого крейцкопфного компрессора приведен на рис. 4.3.
Угловые компрессоры. Этот тип компрессоров выполняют У-, 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. Промыш-ленностью также выпускаются угловые компрессоры в сдвоенном исполнении с двухколенным валом. Вертикально-горизонтальный крейцкопфный компрессор с двухколенным валом изображен схематично на рис. 4.4. Угловые компрессоры малой производи-тельности выполняются, бескрейцкопфными, средней — с крейц-копфом.
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); ци-линдры значительно удалены друг от друга; в пространстве между рядами вертикально-горизонтальных машин может быть рас¬положен промежуточный холодильник; простота конструкции и малая длина вала, что способствует применению подшипников качения; удобство монтажа. Пример вертикально-горизонтального исполнения двухступенчатого крейцкопфного воздушного ком¬прессора показан на рис. 4.5.
В схему поршневого компрессора входят: база, т. е. число и взаимное расположение рядов компрессора; распределение сту-пеней между рядами и внутри ряда; крейцкопф (если он есть). Схема компрессора зависит от его назначения, производитель-ности, давления, специальных требований и т. д. Так, компрес-соры транспортные и передвижных установок должны быть легкими, компактными, хорошо уравновешенными; крупные порш¬невые компрессоры — экономичными и надежными. В зависи¬мости 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 уплотне¬ний, облегчению монтажа и демонтажа ряда и сокращению раз¬меров компрессора. При выборе расположения цилиндров следует учитывать вопросы размещения межступенчатых коммуникаций.
==На железнодорожном подвижном составе==
==На железнодорожном подвижном составе==