Будівельні машини і устаткування, довідник
До атегорія:
Пристрій і робота двигуна
об'ємні компресори
Об'ємні компресори - це компресори, в яких стиснення газу відбувається при зменшенні замкнутого обсягу. У двигунах внутрішнього згоряння частіше застосовують роторно-шестерні компресори типу Рут і поршневі компресори, рідше - гвинтові і зовсім рідко роторно-пластинчасті компресори.
Роторно-шестерні компресори характеризуються порівняльної простотою конструкції, досить великим терміном служби, врівноваженістю ротора, високою частотою подачі повітря і сприятливою залежністю зміни тиску за компресором від частоти обертання його роторів, що вельми важливо при роботі двигуна на змінних режимах.
В процесі перетікання від впускного вікна до випускного повітря в робочій порожнині не стискується, т. Е. Відсутній так зване внутрішнє стиснення, тому роторно-шестерні компресори часто називають компресорами з зовнішнім стисканням. Внаслідок цього роторно-шестерні компресори працюють досить ефективно лише при помірному щодо тиску на нагнітанні до тиску на всмоктуванні, званому ступенем підвищення тиску. З ростом ступеня підвищення тиску ККД компресора помітно знижується. До недоліків розглянутих компресорів відносяться також велика залежність ККД від зазорів між робочими органами компресора, сильний шум і вібрації тиску нагнітання, особливо в разі застосування більш простих у виготовленні прямозубих роторів.
Найбільшого поширення набули роторно-шестерні компресори з двома однаковими роторами і поперечним розташуванням в корпусі впускного і випускного вікон.
На рис. 1, а приведена принципова схема роторно-шестеренчатого компресора. У нерухомому корпусі рівномірно обертаються в протилежному напрямку ротори. При обертанні ротори не стосуються один одного і корпусу, що забезпечується підшипниками, встановленими в торцях корпусу, і синхронизирующей зубчастої передачею, що служить також для приводу веденого ротора. Функції органів розподілу виконують ротори, кромки яких перекривають впускні і нагнітальні вікна в корпусі.
Мал. 1. роторно-шестерний компресор
При повороті роторів з положення / в положення II (рис. 1, б) нижній ротор витісняє в простір нагнітання деякий об'єм повітря. Одночасно, внаслідок того, що зуб верхнього ротора відійшов від кромки випускного вікна, під дією перепаду тисків відбувається зворотне перетікання стисненого повітря з порожнини нагнітання в порожнину, утворену верхнім ротором і корпусом. Перетікання повітря буде тривати до тих пір, поки тиск в цій порожнині і тиск нагнітання не стануть однаковими. З моменту вирівнювання тисків до Моменту, відповідного положенню III, відбувається чисте виштовхування. Положення III по протіканню робочого процесу в компресорі рівнозначно положенню /, так як ротори однакові. Тому для двузубчатого роторно-шестеренчатого компресора період пульсації швидкостей і тисків у проточній частині відповідає 90 ° кута повороту ротора.
Крім двузубчатих роторів, часто застосовують кущ (рідше чотирьох-зубчасті) ротори. Прикладом може служити типова конструкція роторно-шестеренчатого компресора двотактного двигуна ЯАЗ (рис. 2). Компресор кріпиться збоку двигуна і приводиться в обертання від шестерні на задньому кінці колінчастого вала; передавальне відношення між колінчастим валом і роторами компресора становить 1,94.
З обох сторін корпусу, відлитого з алюмінієвого сплаву, розташовані вікна - впускне з зовнішньої сторони і випускне з внутрішньої, зверненої до двигуна. Для підвищення жорсткості поверхню корпусу оребрено. У торцевих плитах, відлитих також з алюмінієвого сплаву, встановлені дворядні ра-діальной-наполегливі підшипники і однорядні кулькові підшипники. Перші фіксують положення ротора в осьовому напрямку, а другі, які можуть переміщатися, забезпечують свободу теплових деформацій ротора і корпусу.
Пустотілі ротори відлиті з алюмінієвого сплаву. З обох сторін у кожен ротор запресовані сталеві валики. За допомогою точно оброблених епіціклоідальних ділянок на профільній поверхні роторів досягається герметичність окремих порожнин компресора в процесі роботи. Іншу про-ствующих роторів. Зубчасті колеса передають невеликий крутний момент (близько 10% загального крутного моменту), так як ротор з западинами виконує головним чином функцію розподільного органу.
Робочий цикл гвинтового компресора можна розбити на чотири етапи.
1. Всмоктування. Через отвір внизу корпусу з боку всмоктування повітря надходить в порожнину, що утворюється в результаті виходу зуба ведучого ротора з западини веденого. При подальшому обертанні роторів об'єм порожнини збільшується до тих пір, поки у протилежної торця зуб не вийде з западини ротора.
2. Подача. Повітря в порожнині між роторами без зміни тиску переноситься в верхню частину корпусу, де в западину веденого ротора починає входити зуб ведучого ротора. При цьому повідомлення порожнини між роторами з простором всмоктування припиняється.
3. Стиснення. Зуб рухається по западині з боку всмоктування і стискає повітря, що знаходиться в порожнині, обмеженій западиною веденого ротора, стінками корпусу і поверхнею зуба ротора.
4. Нагнітання. Після досягнення розрахункового тиску порожнину зі стисненим повітрям з'єднується з випускним отвором в циліндричної і торцевої частинах корпусу. Відбувається нагнітання з поступовим зменшенням обсягу. Надалі цикл повторюється.
Окружні швидкості роторів на зовнішньому діаметрі зуба досягають 50 ... 100 м / с.
Ротори зазвичай виготовляють з вуглецевої сталі; ККД гвинтових компресорів складає 80% і більше.
Поршневі компресори застосовують в малооборотних суднових двигунах. Позитивними якостями цих компресорів є: високий ККД, надійність, досить плавну зміну тиску за компресором від частоти обертання і незалежність його робочого процесу від напрямку обертання валу (при наявності автоматичних клапанів). До недоліків поршневих компресорів слід віднести складність і високу вартість конструкції, неврівноваженість, велику масу, значна витрата масла і забруднення їм подається в двигун повітря.
Основними елементами поршневого компресора є: циліндр, поршень (зазвичай з одним кільцем ущільнювача або без нього), автоматичні (автоматичні) клапани, впускная й нагнітальна системи.
В даний час поршневі компресори в якості самостійних агрегатів наддуву практично не застосовуються в основному через їх великих розмірів.
У деяких потужних двотактних суднових двигунах простої дії з турбо-наддувом як компресора другого ступеня використовуються підпоршневу порожнини циліндрів. Подібні пристрої отримали назву підпоршневу насосів. На двигунах фірми Зульцер ряду RND застосовують систему воздухоснабже-ня, в яку входять підпоршневу насоси, обладнані автоматичними пластинчастими клапанами. Для зменшення «шкідливого» простору підпоршневу насосів і збільшення їх подачі на малих навантаженнях встановлена перегородка з впускними 1 і випускними клапанами. Повітря може потрапити в циліндр через клапани, минаючи подпоршне-вий насос, коли тиск повітря після компресора турбокомпресора відповідає розрахунковому або вище його. Надалі на двигунах типу RND -M були залишені тільки впускні і випускні клапани, які одночасно є і пропускними. Слід зазначити, що завдяки підвищенню ККД турбокомпресорів в двотактних двигунах великої потужності можна відмовитися від використання підпоршневу насосів, що спрощує конструкцію і обслуговування двигуна.
Мал. 3. Гвинтовий компресор
відцентрові компресори
Відцентрові компресори отримали в даний час найбільшого поширення для наддуву двигунів внутрішнього згоряння. Відцентровий компресор відноситься до лопатковим машинам, принцип роботи яких заснований на динамічному взаімодеіствіі високошвидкісного потоку газу з лопатками робочого колеса і лопатками нерухомих елементів машини. У порівнянні з об'ємними лопаточні компресори більш компактні і відносно прості за конструкцією.
Мал. 4. наддувочного пристрій з підпоршневу насосом і допоміжним компресором для роботи на часткових навантаженнях
Відцентровий компресор включає вхідний пристрій, робоче колесо (зване також крильчаткою), дифузор, що складається з безлопаточной і лопатки частин (остання може бути відсутнім), і збірники повітря, часто виконуваний у вигляді равлика. Повітря через фільтр надходить у вхідний пристрій, звужується у напрямку руху повітря, що сприяє стійкості потоку. Вхідний пристрій має забезпечувати рівномірне підведення повітря до колеса при мінімальних втратах. Робоче колесо встановлено на шліцах або, в разі малих розмірів, на гладкому валу, пов'язаному механічною передачею з колінчастим валом двигуна або безпосередньо з робочим колесом газової турбіни.
Кінетична і потенційна (у вигляді тиску) енергія повідомляється повітрю в робочому колесі. Кінетична енергія на виході колеса становить зазвичай близько половини загальної енергії потоку, тому для перетворення її в енергію тиску за робочим колесом встановлюють дифузор. При русі повітря в дифузорі внаслідок постійного зростання площі прохідного перетину швидкість потоку падає, а тиск зростає. Виникаючі при цьому втрати становлять значну частку загальних втрат в компресорі. При наявності в дифузорі лопаток в компресорі втрати менше, ніж при диффузоре без лопаток. Повітря, що виходить по колу з дифузора, збирається в повітрозбірнику і з нього направляється у впускні трубопроводи двигуна. Воздухосборник, в залежності від загального компонування двигуна, може мати один або кілька вихідних патрубків.
Основними параметрами, що характеризують роботу відцентрового компресора, є витрата повітря через компресор, ступінь підвищення тиску і ККД компресора. Застосовувані в даний час для наддуву двигунів внутрішнього згоряння відцентрові компресори мають досить широкий діапазон зміни цих параметрів. Так, ступінь підвищення тиску змінюється від 1,2 до компресорах з приводом від вала двигуна, що використовуються в ряді випадків в якості другого ступеня наддуву, до 4 і більше в компресорах форсованих комбінованих двигунів. В одному щаблі можливе отримання підвищення тиску порядку 10. В даний час вважають за доцільне обмежувати ступінь підвищення тиску в відцентровому компресорі до 3,5 ... 4,0, а при великих її значеннях переходять до двоступінчастим наддуву.
Окружні швидкості робочого колеса компресора сучасного комбінованого двигуна внутрішнього згоряння на периферії перевищують 450 м / с, тому для забезпечення високої міцності колеса компресора необхідно застосування високоякісних матеріалів.
Мал. 5. Принципова схема одноступінчатого відцентрового компресора
У відцентрових компресорах двигунів найчастіше використовується напівзакрите колесо з обертовим напрямним апаратом, виготовленим як одне ціле з колесом або окремо. Такі колеса з радіальними лопатками відрізняються високою міцністю, хорошою технологічністю і характеризуються помірними втратами при русі повітря по міжлопатковою каналах. Виникнення при роботі компресора осьової сили запобігає відповідним розташуванням пасків лабіринтового ущільнення, що знаходяться на тильній стороні диска колеса.
Більш складні в технологічному відношенні закриті колеса, що відрізняються від напівзакритих наявністю переднього покриває диска, істотно зменшує втрати, пов'язані з перетіканням повітря між сусідніми межлопаточную каналами, а також тертям повітря об нерухомий корпус. Колеса такого типу застосовують в стаціонарних компресорах і компресорах з високим ступенем підвищення тиску в двигунах з великою витратою повітря. Однак у виготовленні ці колеса більш трудомісткі, ніж напівзакриті колеса. Чим вище ступінь підвищення тиску і більше витрата повітря, тим більше переваги у закритих коліс.
Частота обертання колеса компресора залежить від потрібної окружної швидкості на периферії колеса, яка визначається, в свою чергу, ступенем підвищення тиску в компресорі, і від розмірів колеса, пов'язаних з витратою повітря через компресор. Тому висока частота обертання, що досягає 200 тис. Об / хв, характерна для високонапірних компресорів автомобільних дизелів. У великих компресорів, які застосовуються в комбінованих суднових двигунах великої потужності, частота обертання ротора дорівнює 6500 ... 7000 об / хв. Відповідно подача відцентрових компресорів, які застосовуються в комбінованих двигунах, змінюється від 0,02 до 30 кг / с.
Через надмірну кількість використаного повітря і ступеня підвищення тиску відцентрові компресори виготовляють як з лопатковим дифузором, так і з безлопаточним. Великі високонапорние компресори мають лопаточні дифузори. При цьому часто передбачається можливість установки на один компресор різних дифузорів, в залежності від вимог споживача. Лопатковий дифузор являє собою кругову решітку з профільованих лопаток. Прохідний перетин такого дифузора зростає внаслідок збільшення радіуса і кута між вектором швидкості руху потоку і дотичній до окружності, що досягається наявністю лопаток. Розмір дифузора в значній мірі визначає габаритні розміри компресора. У більшості конструкцій сучасних малих відцентрових компресорів застосовують безлопаточний дифузор.
В осьовому компресорі рух повітряного потоку через компресор відбувається в осьовому напрямку. Відсутність різких поворотів у проточній частині та аеродинамічний досконалість лопаток робочих коліс і спрямляющий апаратів обумовлюють більш високий ККД осьових компресорів в порівнянні з відцентровими. Основний недолік осьового компресора - значна зміна основних показників роботи компресора при відхиленні режиму роботи від розрахункового. Навіть порівняно невелике зменшення витрати повітря через компресор при незмінній частоті обертання ротора часто викликає нестійку роботу компресора - так званий пом-паж, який характеризується коливаннями великої амплітуди швидкості і тиску потоку в проточній частині. Робота компресора в зоні помпажа неприпустима. Цей недолік властивий і відцентровим компресорів, особливо при наявності лопаточного дифузора, але у осьових компресорів він проявляється значно сильніше. Крім того, реалізовані в даний час тиску наддуву досяжні лише в многоступенчатом осьовому компресорі, який має велику довжину і установка якого на одному валу з турбіною призводить до додаткового ускладнення конструкцій. Внаслідок цього в даний час в комбінованих двигунах внутрішнього згоряння осьові компресори практично не застосовують.
Реклама:
Читати далі: газова турбіна
До атегорія: - Пристрій і робота двигуна