Винтовой компрессор: устройство и принцип работы

Число компрессоров, используемых в российском народном хозяйстве, превышает полмиллиона. Немалую часть из них составляют компрессоры винтовые промышленные.

История винтового компрессора началась в середине позапрошлого XIX столетия, когда изобретатели из США братья Рутс получили патент на низконапорный компрессор-воздуходувку.

В корпусе воздуходувки Рутса перпендикулярно направлению воздушного потока установлены два ротора с несколькими лопастями каждый. Роторы синхронно вращаются навстречу друг другу ─ один по часовой стрелке, другой против нее. Это техническое решение, наряду с уже появившимся к тому времени шестереночным насосом, оказало огромное влияние на устройство винтового компрессора.

В словарях "воздуходувка" обычно определяпется как "машина для повышения давления и подачи воздуха (газа)". Воздуходувки занимают промежуточное положение между вентиляторами и компрессорами. "ГОСТ 28567-90. Компрессоры. Термины и определения" использование названия "воздуходувка" применительно к компрессорам считает недопустимым.

Принцип работы винтового компрессора был предложен немецким инженером Генрихом Кригаром (Heinrich Krigar). В марте 1878 года он получил патент №4121, зафиксировавший его авторство. Через полгода ему был выдан патент №7116 на переработанную и улучшенную конструкцию винтового компрессора.

Изобретение Г. Кригара опередило тогдашние возможности машиностроения, не позволявшие организовать серийное производство винтовых компрессоров. Их время наступило полвека спустя, когда в июне 1935 года шведский инженер Альф Лисхольм (Alf Lysholm) запатентовал технологию изготовления этих машин. В 1954 году право на производство и продажу винтовых компрессоров по технологии инж. Лисхольма приобрела компания Atlas Copco. Сегодня винтовые компрессоры Atlas Copco известны во всем мире.

В СССР серийное производство винтовых компрессоров первым освоил завод «Казанькомпрессормаш» в годы восьмой пятилетки (1966-1970 гг.). Здесь был разработан модельный ряд компрессоров производительностью 10-50 м³/мин, с базовым диаметром роторов – 200, 250 и 315 мм. В Казани в 1973 г. впервые в стране начали серийно изготавливать холодильные винтовые компрессоры.

Винтовые роторы

В состав современного винтового компрессора входит относительно небольшое число узлов и деталей. Наиболее сложными в изготовлении являются винты (винтовые роторы), которых в компрессоре может быть один, два или три. Конструктивный узел, служащий для размещения винтовых роторов, и где происходит сжатие воздуха, носит название винтовой блок компрессора.

В одновинтовом компрессоре поступающий во всасывающую полость (камеру) воздух с помощью винта подается к полости нагнетания. Поочередно изолировать его от камеры всасывания помогают зубья отсекателей, для ввода которых в рабочую часть компрессора в корпусе выполнены прорези.

Устройство винтового компрессора с одним винтовым ротором обеспечивает уравновешивание сил, действующих на ротор, поскольку сжатие воздуха осуществляется в противоположных полостях. Положительным следствием этого являются увеличение срока эксплуатации подшипников и пониженный уровень шума.

Работа винтового компрессора с двумя винтовыми роторами (рабочий орган ─ винтовая пара компрессора) происходит иначе. Крутящий момент от соединенного с приводом ведущего винта передается ведомому через жидкость или посредством расположенных на концах валов и находящихся в постоянном зацеплении синхронизирующих зубчатых колес (шестеренок).

Есть и другие варианты. В США запатентована технология изготовления роторов винтовых компрессоров, согласно которой ведущий ротор с зубьями вогнутого профиля напрямую сцеплен с ротором, имеющим зубья вогнутого профиля. Разумеется, зубья необходимо упрочнять закалкой.

Вращаясь навстречу друг другу, винтовые роторы «затягивают» в компрессор атмосферный воздух. Разряжение, обеспечивающее его приток из атмосферы, образуется в объеме между открытыми полостями винтовых роторов и стенками рабочей камеры винтового блока.

К сжатию воздуха приводит постепенное уменьшение объема герметичных полостей, образующихся при взаимодействии винтовых роторов, когда зубья одного попадают во впадины второго. (В одновинтовом компрессоре воздушные полости образуются между зубьями ротора и отсекателями). Постепенно они перемещаются в осевом направлении из области низкого в область высокого давления.

Расположение роторов может быть как вертикальным, так и горизонтальным.

На эффективность работы винтового компрессора значительное влияние оказывает размер зазоров между поверхностями винтов и длина контакта между винтами. Эти величины, в свою очередь, зависят от профиля зубьев и числа заходов винтов.

Разработать оптимальный профиль зубьев, а затем точно изготовить его ─ задача огромной сложности, требующая для своего решения привлечения сложного математического аппарата, использования самых современных технологий проектирования и машиностроения.

Лучшие мировые производители винтовых компрессоров инвестируют немалые средства в ноу-хау, связанные с проектированием и изготовлением винтовых пар, в т. ч. с ассиметричным профилем зубьев. Их производство выполняется на современных винторезных станках с ЧПУ под постоянным 3D-мониторингом.

Наличие роторов позволяет в классификации компрессоров по основным конструктивным признакам отнести винтовые компрессоры к роторным. Другие конструкции роторных компрессоров: пластинчатые, шестеренчатые, жидкостно-кольцевые, с катящимся ротором, роторно-поршневые, трохоидные (трохоида ─ общее название циклоидальных кривых, в данном случае использованное для описания кинематики ротора). Все роторные компрессоры являются энергетическими машинами объемного действия.

Режимы работы и устройство винтового компрессора

Винтовой компрессор имеет несколько режимов работы:

• пусковой (старт),
• рабочий (нагнетание),
• холостой ход,
• ожидание,
• выключение.

Продолжительность пускового режима, как правило, измеряется в секундах. За это время происходит оптимизация нагрузки от электросети.

В рабочем режиме давление в системе повышается. Когда его требуемое значение достигнуто, наступает черед холостого хода, двигатель продолжает работать, но производство сжатого воздуха прекращается.

В режиме ожидания перестает работать двигатель. Сколько это продлится, зависит от расхода воздуха. Когда давление в пневмосистеме упадет ниже минимального уровня, включается пусковой режим и вслед за ним рабочий.

Режим выключения может быть штатным, когда компрессор отключают в плановом порядке, или аварийным ─ в случае форс-мажора. В первом варианте рабочий режим компрессора переключается на холостой, и только затем он полностью отключается. Во втором ─ работа прекращается немедленно без разгрузки контура.

Воздух поступает в компрессор через воздушный фильтр или комбинацию из нескольких фильтров грубой и тонкой очистки. Пойдет ли он дальше зависит от регулятора всасывания, задача которого открывать (в режиме нагнетания) и закрывать (холостой ход, ожидание) линию всасывания.

Винтовые компрессоры, принцип работы которых основан на присутствии масла, называют маслозаполненными. В них масло поступает в винтовой блок, где, перемешавшись с воздухом, образует воздушно-масляную смесь. Масло для винтовых компрессоров одновременно выполняет несколько функций ─ охлаждение, уплотнение, смазка.

В процессе сжатия воздуха образуется тепло, эффективно утилизировать которое помогает масло. Оно обеспечивает устранение зазоров между вращающимися роторами и стенками рабочей камеры. В смазке нуждаются подшипники роторов, подверженные действию осевых и радиальных сил.

Использование масла помогает замедлить износ деталей, который в винтовых компрессорах существенно меньше, чем в поршневых, но все-таки также имеет место.

В сепараторе пути масла и воздуха расходятся. Воздушно-масляная смесь вновь разделяется на составляющие. Очистка воздуха от масла может выполняться в несколько этапов. Сначала отделяются его крупные частицы (грубая очистка), затем воздух доочищается в сепараторе тонкой очистки.

Неэффективная работа системы маслоотделения приводит к повышению содержания масла в сжатом воздухе и перегреву компрессора.

Реле давления и предохранительный клапан винтового компрессора предотвращают чрезмерное увеличение давления в баке сепаратора.

После сепаратора масло транзитом через масляный фильтр, очищающий от твердых частиц, вновь возвращается в винтовой блок компрессора. Если его необходимо охладить (это определяется с помощью термостата, следящего за оптимальной температурой двигателя), масло пропускают еще и через масляный радиатор. Обычно ─ воздушно-масляный, т. е. комбинированный, служащий также и для охлаждения воздуха. Чтобы охлаждение было более эффективным, на него направляется воздушный поток от вентилятора, который может быть задействован как от приводного двигателя, так и иметь собственный.

Если температура масла далека от максимальной, ускоряя процесс, на следующий круг его пускают без охлаждения.

Когда температура воздушно-масляной смеси достигнет максимально допустимой величины, специальный термодатчик отключит компрессор. Электродвигатель от перегрева защищает специальное тепловое реле. Перегрев может быть вызван разными причинами. Например, засорением воздушного фильтра.

Современный винтовой компрессор (ВК) может быть не только маслозаполненным ─ винтовой компрессор маслозаполненный (ВКМ), но и сухого сжатия (компрессор ВКС). Безмасляный винтовой компрессор используют в ситуациях, когда от сжатого воздуха или иного газа требуется повышенная чистота, и их контакт с маслом недопустим. Потребность в абсолютно свободном от присутствия масла воздухе существует в пищевой, фармацевтической, химической промышленности.

В безмасляных компрессорах охлаждение может быть водяным и воздушным.

Схема винтового компрессора включает и другие узлы и детали: трубопроводы для воздуха, масла, их смеси; подшипники; уплотнительные сальники и кольца; втулки под сальники.

Система подготовки воздуха

Винтовой компрессор может содержать систему подготовки сжатого воздуха.

Остатки масла и твердые частицы удаляет фильтр винтового компрессора. Установленный на винтовой компрессор осушитель позволяет поддерживать требуемую влажность воздуха. Концевой охладитель охлаждает сжатый воздух до требуемой температуры.

Ведущие мировые производители часто самостоятельно производят компоненты системы фильтрации, стараясь сделать их максимально адаптированными к работе оборудования.

Циклонный влагоотделитель эффективно удаляет содержащуюся в воздухе капельную влагу и очень полезен на предварительном этапе. Еще более эффективен рефрижераторный осушитель. А адсорбционный осушитель оставляет в воздухе десятые доли процента влаги.

Грубое фильтрование помогает удалить твердые частицы размером до нескольких микрометров. Более мелкие удаляются вместе с аэрозольными частичками масла с помощью тонкой фильтрации.

Обработку конденсата ─ разложение на чистую воду и масло ─ выполняют с помощью водно-масляных сепараторов.

Привод винтового компрессора

Двигатель может быть электрическим ─ винтовой компрессор электрический. Большей автономностью отличаются винтовые дизельные компрессоры, приводимые в действие двигателями внутреннего сгорания.

Привод осуществляется как напрямую от вала двигателя через муфту, так и при помощи редуктора или ременной передачи. Ременная передача приводит к некоторой (до 10%) потере энергии, зато заменить вышедший из строя ремень быстро и просто.

Системы управления

Существуют две основные системы управления компрессорами ─ электромеханическая и электронная. Электромеханическая ─ проще и дешевле. Электронная ─ технически сложнее и требует больших инвестиций, зато позволяет добиться лучшей управляемости компрессора.

Винтовые компрессоры в силу особенностей своей конструкции очень гармонично сочетаются с самой современной автоматикой. Благодаря этому облегчаются управление и эксплуатация винтового компрессора, удается освободить оператора от многих прежних обязанностей.

Система дисплеев и плат, входящих в состав блока управления, обеспечивает точную настройку и контроль параметров оборудования. Работу компрессора можно программировать дистанционно без присутствия рядом персонала. И также дистанционно осуществлять управление и контроль параметров. Легко подобрать технологически и экономически оптимальный режим работы и оптимальную производительность винтового компрессора. Причем не только одного, но и гарантировать экономически эффективную согласованную работу группы компрессоров, с равномерной загрузкой каждого из них. Автоматика выполняет диагностику оборудования, вовремя информируя о грозящих его работе сбоях.

И еще о классификации винтовых компрессоров

Еще один повод для классификации винтовых компрессоров ─ степень их мобильности. Компрессор винтовой передвижной легко перемещать на новое место, где его можно немедленно запускать в работу.

Как и компрессоры других конструкций, винтовые различают по составу сжимаемой среды. Для получения сжатого воздуха служит компрессор винтовой воздушный. Газовые компрессоры сжимают один газ или несколько разных. Многоцелевые компрессоры одинаково успешно работают и с воздухом, и с другими газами.

Существует несколько вариантов компоновки винтовых компрессоров. На раме или на ресивере, с системой подготовки сжатого воздуха или без. Функции ресивера ─ обеспечивать оптимальный режим работы, охлаждать сжатый воздух, сглаживать воздушные пульсации.

Преимущества винтовых компрессоров

Не умаляя достоинств, по-прежнему широко используемых в разных отраслях промышленности и в быту поршневых компрессоров, нельзя не признать, что винтовые компрессоры являются более высокотехнологичным оборудованием.

Роторы могут вращаться с очень большой скоростью. Это означает высокую производительность при сравнительно небольших массе и размерах по сравнению с аналогичными по производительности поршневыми компрессорами.

Одно из важных достоинств винтовых компрессоров ─ плавное регулирование производительности. Этого можно добиваться, меняя частоту вращения привода (очень удобно при дизельном двигателе) или эффективную длину винтов остановками и пусками (чем больше ресивер, тем их меньше), закрытием всасывающего патрубка, перепускным клапаном.

В отличие от поршневого компрессора, в винтовом компрессоре нет деталей, совершающих возвратно-поступательное движение. А это означает минимизацию инерционных нагрузок и уровня шума. Уравновешенность роторов избавляет от необходимости устраивать тяжелые фундаменты.

Механическое трение между рабочими органами винтового компрессора ниже, чем у поршневого. Эти и ряд других особенностей конструкции обуславливают меньший износ деталей. И, как следствие, более продолжительный срок эксплуатации при высокой стабильности рабочих характеристик.

У винтовых компрессоров существенно выше, чем у поршневых, средняя наработка на отказ и ресурс до капитального ремонта. Капитальный ремонт винтовых компрессоров выполняется через 40-60 тысяч моточасов (в году менее 9 тыс. часов).

Их преимуществами является очень высокие энергетические показатели и КПД, надежность, компактность.

Винтовые компрессоры удобны в эксплуатации. Первое регламентное обслуживание винтовых компрессоров (маслозаполненных), включающее замену масла и масляного фильтра, выполняется через 400-600 часов работы. Следующее ─ через и две и более тысяч часов. Заменяются воздушные фильтры, проверяется натяжение ремней (если таковые есть), выполняется продувка воздушно-масляного радиатора, контролируется работа электрики.

Какой компрессор винтовой выбрать, зависит от требуемых параметров. Равная объему воздуха, производимого в единицу времени, производительность ─ очень важная характеристика винтового компрессора. Большое значение имеет давление винтового компрессора.

Сегодня купить винтовой компрессор, цена которого как минимум на 20-30% выше, чем у аналогичного поршневого, ─ выгодная инвестиция. Поскольку после одинакового времени эксплуатации винтовой компрессор б/у (бывший в употреблении) потеряет меньшую часть от своей первоначальной стоимости, чем поршневой.

Компрессоры ─ обязательные участники огромного числа технологических процессов. О значении компрессорного оборудования для экономики страны свидетельствует тот факт, что эксплуатацией, обслуживанием и ремонтом компрессоров по самым скромным оценкам занято не менее одного миллиона человек. И возрастающую долю в парке компрессоров занимают винтовые. В ряде отраслей, например, холодильной технике и системах вентиляции и кондиционирования воздуха, преимущества винтовых компрессоров особенно очевидны. Еще одна важная область их применения ─ тепловые насосы. Купить винтовой компрессор для централизованного и автономного получения сжатого воздуха стремятся все большее число предприятий разных отраслей.

Хотя развиваются и другие типы компрессоров, именно технологическая конкуренция и соревнование за кошельки потребителей между поршневыми и винтовыми компрессорами во многом определяет лицо научно-технического прогресса в компрессоростроении. А происходящее буквально на глазах совершенствование винтовых компрессоров ─ лучшее подтверждение тому, что потенциал этого прогресса еще очень далек от исчерпания.