Спиральные компрессоры. Маслозаполненные и безмасляные компрессоры спирального типа

Если говорят «поршневой компрессор» ─ ищи поршень и точно найдешь его. Если «винтовой компрессор» ─ значит, в нем есть винт и, скорее всего, не один. Ну, а когда речь заходит о спиральных компрессорах, очевидно, что важнейшей их деталью является спираль, а, точнее, две спирали.

Что такое спираль, большинству понятно без дополнительных объяснений. Первыми на ум приходят раскаленные докрасна спирали нагревательных элементов тепловых электроприборов или имеющие форму спирали заводные пружинки детских игрушек и взрослых часов. Хотя в Природе есть примеры куда более масштабных спиралей. Млечный Путь ─ спиральная галактика с перемычкой, диаметром 100 тыс. световых лет, ближе к окраине которой расположена Солнечная система с планетой Земля. Млечный Путь ─ не единственная спиральная галактика. Такими же являются ее спутники ─ Большое и Малое Магеллановы Облака, а также Галактика Андромеды, Галактика Треугольника и другие.

Спиралью называют кривую, обходящую точку, и в зависимости от того, скручивается она или раскручивается, ─ приближающуюся к этой точке или удаляющуюся от нее.

Рабочие органы спиральных компрессоров, как правило, выполнены в виде архимедовых или эвольвентных спиралей. Возможны и другие варианты, например, кривые, образованные дугами окружностей.

Архимедову спираль можно уподобить следу, оставляемому точкой, равномерно движущейся по лучу, начинающемуся из центра О, который сам при этом равномерно вокруг него вращается. Эвольвента окружности в отличие от классической алгебраической спирали, каковой является архимедова спираль, относится к т. н. псевдоспиралям или спиралевидным кривым. Ее можно представить как след от точки, расположенной на конце прямой нити, сворачиваемой с цилиндрической катушки или закручиваемой вокруг нее; при этом нить всегда расположена по касательной к окружности ─ поперечному сечению цилиндра катушки.

Что-то даже на интуитивном уровне объединяет винтовые и спиральные компрессоры. И не случайно. «Родство» их проявляется даже в лексике. Ведь согласно Большому энциклопедическому словарю винтовая линия ─ это «пространственная спиральная кривая». А винт ─ не что иное, как «стержень со спиральной нарезкой».

Из истории спиральных компрессоров

Винтовой и спиральный компрессоры объединяет не только лексика, но и закономерности биографий. Изобретения, содержавшие принципы работы этих машин, появились намного раньше, чем их удалось реализовать не то чтобы в промышленных масштабах, но даже изготовить экспериментальные образцы. Оба были открыты, как принято говорить, «на кончике пера». И эти открытия на многие десятилетия опередили свое время, а точнее, существовавший тогда уровень металлообработки. Станки, способные изготавливать детали с точностью, требуемой для рабочих элементов спиральных компрессоров, появились совсем недавно.

Идеи, развивавшие устройство спирального компрессора, появились еще в XIX веке. А свое стройное оформление нашли в самом начале века двадцатого, в 1905 году. Во французском и американском патентах, полученных французским инженером и писателем, автором научно-фантастических романов «Путешествие Изабеллы к центру Земли» и «Секрет Доурады» Леоном Круа (Léon Creux). В этих патентах речь шла о роторном паровом двигателе, но одновременно с этим они содержали основные принципы устройства машины, которая сегодня носит название спиральный компрессор или компрессор спирального типа. Потребовалось почти целое столетие, прежде чем в 80-х годах XX века удалось организовать промышленное производство спиральных компрессоров. За это время «от нуля» до сверхзвуковых скоростей разогналась авиация, человечество полетело в космос и сумело раскрыть тайны получения атомной энергии. А наладить промышленное производство спиральных компрессоров никак не получалось. Одним из первых, кому это удалось, стала японская компания Hitachi Ltd, с 1983 г. начавшая устанавливать спиральные компрессоры в системах кондиционирования воздуха. У истоков нового сегмента компрессорной техники стояла также американская компания Copeland Corp. Спиральные компрессоры Copeland начали разрабатывать в 1979 году, а в 1987-м приступили к их серийному выпуску. Сначала на шести производственных линиях завода в Сиднее (шт. Огайо). Затем был построен завод в шт. Миссури, и организовано производство на европейских предприятиях компании в Бельгии и Северной Ирландии. Сегодня Copeland Corp изготавливает ежегодно примерно 5 млн спиральных компрессоров холодопроизводительностью от 5 до 170 кВт. Всего же в мире установлено свыше ста миллионов компрессоров Copeland Scroll (компрессор спиральный на английском звучит как scroll compressor). Одна из знаковых разработок компании ─ компрессор спиральный ZR ─ серия машин, применяемых в оборудовании для климат-контроля, а также в промышленных, в т. ч. прецизионных, системах охлаждения.

А ведь еще в середине 90-х во всем мире насчитывалось всего несколько миллионов спиральных компрессоров…

Косвенным подтверждением молодости спиральных компрессоров является тот факт, что в отечественном нормативном документе «ГОСТ 28567-90 Компрессоры. Термины и определения» о них не сказано ни слова. Хотя это вовсе не означает, что российские инженеры не работали в этом направлении. Исследования велись в Москве, Санкт-Петербурге, Казани.

В столице ─ во Всесоюзном научно-исследовательском проектно-конструкторском и технологическом институте холодильного машиностроения (ВНИИхолодмаш). Там был изготовлен образец спирального компрессора СК-16 для морской холодильной машины МХМ25.

В Санкт-Петербурге, начиная с 80-х, исследования проводились в Ленинградском институте холодильной промышленности. Затем его название менялось: Санкт-Петербургская Государственная Академия холода и пищевых технологий,  Государственный Университет низкотемпературных и пищевых технологий, а ныне ─ мегафакультет биотехнологий и низкотемпературных систем Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики.

В Казани спиральные компрессоры разрабатывали в «НИИ турбокомпрессор им. В. Б. Шнеппа» ─ стратегическом партнере Казанского завода компрессорного машиностроения (ОАО «Казанькомпрессормаш»).

Спиральный компрессор ─ сложный в производстве, простой в эксплуатации

Спиральные компрессоры ─ машины объемного сжатия, как правило, имеющие среднюю и малую производительность (0,05-1,5 м³/мин), ─ продукт высокотехнологичный. Производство, а также разработка и проектирование спиральных компрессоров и сегодня остаются сложными задачами, а потому представлены преимущественно в странах с высоким технологическим уровнем машиностроения. (Что совсем не отменяет простоту их конструкции и удобство в эксплуатации и обслуживании). Спиральные компрессоры можно уподобить «лакмусовой бумажке», позволяющей судить об уровне развития научно-технического потенциала страны происхождения фирмы-производителя.

Основная сложность заключается в организации экономически конкурентоспособного производства качественных спиралей с точными размерами. Экономический аспект чрезвычайно важен. Компрессор спиральный, цена которого намного выше стоимости, скажем, винтового компрессора, не сумеет победить его в технологической конкурентной борьбе.

Необходимо уметь изготовить спиральный компрессор, купить который сможет широкий круг потребителей, а не единицы избранных.

В процессе проектирования спиральных компрессоров ─ разработки конфигураций и размеров, а также моделировании рабочих процессов ─ широко используют аналитические методы. В поисках наилучшего решения инженерам приходится сталкиваться с задачами, включающими множество неизвестных и переменных, принимать во внимание большое число взаимосвязанных между собой механических и термодинамических факторов. Например, зависимость объемов рабочих полостей, температуры и давления рабочей среды от геометрии спиралей. Очень важно найти оптимальные размеры зазоров, определяющих объемы рабочей среды, перетекающей между полостями. С одной стороны, обеспечивающие наилучшие энергетические параметры, а с другой, исключающие заклинивание спиралей в результате механических и тепловых деформаций.

Рабочая среда в спиральном компрессоре не только испытывает сжатие, но и находится в постоянном движении, перетекая из полостей сжатия во всасывающую полость. Наблюдается движение рабочей среды из областей сжатия с более высоким давлением в области сжатия с более низким давлением и т. д. Все эти перемещения не могут не оказывать влияния на потребляемую мощность, коэффициент полезного действия и производительность спирального компрессора. Вследствие газодинамических потерь процесс сжатия практически перестает быть адиабатическим.

Нельзя упускать из виду вопросы прочности, отчетливо понимая, какие величины сил и моментов способны выдержать рабочие элементы компрессора.     Серьезную технологическую задачу представляют сборка и наладка спирального компрессора.

Спиральный компрессор: устройство и принцип работы

Работа спирального компрессора возможна благодаря рабочему блоку, установленному внутри корпуса и состоящему из двух спиралей, ─ одной неподвижной и другой, совершающей циклические движения. Оси спиралей, будучи параллельными между собой, смещены на величину, равную эксцентриситету вала, обеспечивающего перемещения подвижной спирали. Его вращение происходит за счет контакта с валом электродвигателя ─ напрямую через муфту или через ременную передачу. Неподвижная спираль, имеющая в центральной части отверстие для выхода сжатого воздуха, жестко прикреплена к корпусу.

Благодаря наличию противоповоротного устройства (его функции может выполнять специальная муфта или шестеренчатый механизм) подвижная спираль не вращается, а совершает движения, больше похожие на колебания. Поскольку она словно перемещается по некоей орбите, эти движения иногда называют орбитальными. В результате такой траектории между спиралями образуются замкнутые полости серповидной формы. При перемещении к центру их объем уменьшается, а давление воздуха (воздушный спиральный компрессор) или газа возрастает. В каждый момент времени существует несколько полостей: всасывающая, промежуточная полость, из которой сжатая рабочая среда уходит в нагнетательное отверстие. Работа спирального компрессора представляет совокупность нескольких циклов: всасывания, сжатия, рабочего. Приуроченный к внешним частям спиралей процесс всасывания, и к внутренним ─ процесс сжатия, происходят одновременно. Наполненные газом серповидные области находятся на различных этапах сжатия, что предопределяет плавность работы спирального компрессора.

Две спирали ─ одна стационарная, другая подвижная ─ не аксиома. Возможны конструктивные решения с двумя подвижными спиралями. Используют спиральные компрессоры, принцип работы которых предполагает наличие четырех спиралей: двух неподвижных и двух подвижных, расположенных на одном эксцентриковом валу.

Эффективный способ управления производительностью спирального компрессора ─ изменяющий скорость вала частотный преобразователь. Возможно регулирование с помощью изменения взаимного положения спиралей, вплоть до холостого хода, когда замкнутые серповидные зоны сжатия не образуются.

Единый принцип работы объединяет все спиральные компрессоры; особенности конструкции служат поводом для их классификации. По расположению вала различают вертикальные и горизонтальные спиральные компрессоры. По числу ступеней ─ одно-, двух- и многоступенчатые. Герметичный спиральный компрессор (в отличие от открытого или полугерметичного) исключает попадание газа из окружающей среды в компрессор и утечки сжимаемого газа из него.

Особенности конструкции рабочего блока спиральных компрессоров позволяют отказаться от всасывающего и нагнетательного клапанов. И это не единственное их преимущество.

Преимущества и область применения спиральных компрессоров

Возможность обойтись без всасывающего и нагнетательного клапанов, как и целого ряда деталей и узлов, обязательных для других типов компрессоров, означает повышенную надежность. Минимизация числа движущихся деталей способствует упрощению сервиса и повышению сроков эксплуатации.

По сравнению с поршневым компрессором аналогичной производительности у спирального суммарное число деталей меньше в два раза. А масса и габаритные размеры ─ на 20-50%.

Еще одно достоинство спиральных компрессоров ─ более высокие энергетические показатели по сравнению с компрессорами других типов, в т. ч. объемный и эффективный коэффициент полезного действия. Спиральный компрессор даже в одной ступени способен достигнуть отношения давления нагнетания к давлению сжатия выше 10.

К числу достоинств спиральных компрессоров относятся невысокая нагрузка на электродвигатель, не исключая момент пуска, и низкие уровни шума и вибрации.

Благодаря многочисленным преимуществам спрос на спиральные компрессоры на мировом рынке постоянно растет, и их производство каждый год увеличивается на несколько процентов. Поскольку изготовление спиральных компрессоров является технологически сложным, изначально основная часть производственных мощностей была сосредоточена в США, Японии, Германии, Франции. Сегодня можно говорить о диверсификации производства. Выпуск спиральных компрессоров налажен в Южной Корее (с 2004 г. их изготавливает компания Kyungwon Machinery под брендом COAIRE) и Таиланде. Важным игроком на рынке ─ и не только в качестве потребителя, но и производителя ─ стал Китай.

Первой и до сих пор остающейся одной из важнейших областей применения спиральных компрессоров является кондиционирование воздуха: коммерческое, промышленное, в жилых помещениях. Спиральные компрессоры используют в чиллерах, крышных кондиционерах, моноблоках.

Еще одна знаковая для этого вида компрессоров сфера использования ─ охлаждение ─ холодильная и криогенная техника. Спиральные холодильные компрессоры, обеспечивающие движения хладагента, устанавливают в холодильниках, морозильниках, охлаждаемых прилавках и витринах для замороженных продуктов.

Спиральные компрессоры нашли широкое применение в тепловых насосах. Учитывая их компактность, а для безмасляных моделей не принципиальность расположения в пространстве, они ─ привлекательное решение для установки в системах кондиционирования транспортных средств. Спиральные компрессоры небольшой мощности применяют в исследовательских лабораториях.

Их можно встретить в таких традиционных отраслях, в т. ч. тяжелой промышленности, как сталелитейное производство или автомобилестроение. Например, в пневматических системах, обслуживающих производственные линии металлургических заводов.

Еще в конце 80-х фирма Volkswagen использовала спиральный компрессор для наддува двигателей внутреннего сгорания.

При разговоре о спиральных компрессорах было бы неправильным обойти тему безмасляных компрессоров.

Безмасляные спиральные компрессоры

Значение масла для компрессорной техники хорошо известно. Во-первых, его впрыск в рабочие полости компрессора позволяет улучшить его энергетические показатели за счет уплотнения зазоров и уменьшения работы сжатия. Во-вторых, так удается снизить износ деталей в результате трения, а, значит, увеличить ресурс компрессора. В третьих, масло помогает регулировать температурный режим. Но сколь бы качественной не была очистка сжатого воздуха, полностью избавиться от масляных паров невозможно.

Не редкость ситуации, когда качество воздуха является критически важным, и над ответом на вопросы, какой ─ масляный или безмасляный ─ компрессор предпочесть, или какой компрессор лучше: масляный или безмасляный ─ думать не приходится. Правильный ответ один ─ компрессор воздушный безмасляный.

Известны безмасляный винтовой компрессор и безмасляный поршневой компрессор. Широкое распространение получил безмасляный спиральный компрессор.

Полностью исключить попадание даже следов масла в сжатый воздух принципиально необходимо при производстве лекарств, в медицине (компрессор стоматологический безмасляный обеспечивает подачу воздуха в стоматологический инструмент), пищевой промышленности, при переработке технологических газов, покрасочных работах, в научно-исследовательских лабораториях, когда выражение «чистота эксперимента» понимается буквально.

В большинстве случаев решая, какой компрессор ─ масляный или безмасляный ─ лучше, исходят из анализа суммы факторов, сугубо индивидуальной в каждой конкретной ситуации. Так, для промышленных компрессоров очень важен такой фактор как ресурс, который у маслозаполненных компрессоров выше. Но для периодического использования в бытовых целях электрический безмасляный компрессор купить может оказаться целесообразнее.

Безмасляные спиральные компрессоры предъявляют более жесткие требования к профильной и торцевой герметичности, чем компрессоры с впрыском жидкости, т. н. жидкостнозаполненные. Первую можно увеличить за счет высокой точности изготовления; вторую ─ использованием уплотнительных элементов. Учитывая, что рабочий процесс в безмасляном спиральном компрессоре сопровождается интенсивным теплообменом между рабочей средой и стенками спиральных элементов, необходимо организовать эффективный отвод тепла.

В какой-то степени все связанные с вышесказанным издержки позволяет уменьшить снижение затрат на эксплуатацию, обусловленное отказом от фильтров, а также сокращением расходов на техническое обслуживание и обработку масляного конденсата.

Производить спиральные компрессоры в промышленных масштабах научились сравнительно недавно. И до сих пор высокие требования к точности изготовления деталей и качеству сборки сдерживают рост их производительности и повышение давления. Но время играет на их стороне. Технологии производства постоянно совершенствуются, в ход идут новые конструкционные материалы. А это значит, что перспективы у спиральных компрессоров самые благоприятные.