Конструкция и эксплуатация поршневого компрессора.

Лекция 8.

Поршневые компрессоры могут быть разделены на два типа: бескрейцкопфные и крейцкопфные (рис. 8.1).

Рис. 8.1.Схемы поршневых компрессоров:

а — крейцкопфная; б — бескрейцкопфная:

1 — кривошип; 2 — шатун; 3 — ползун (крейцкопф); 4 — поршень; 5 — цилиндр склапанами

Компрессоры низкого и среднего давления обычно выполняют по бескрейцкопфной схеме. Роль крейцкопфа (ползуна) в них выполняет сам поршнеь, имеющий удлиненную цилиндрическую по­верхность.

Крейцкопфная схема (рис. 8.1, а) характерна для многоступенчатых компрессоров, сжимающих газ до высокого дав­ления. При этом в последних ступенях возникают значительные по величине поперечные силы, восприятие которых поверхностями поршней оказывается недопустимым.

Бескрейцкопфные компрессоры (рис. 8.1, б) отличаются простотой конструкции, имеют лучшие массогабаритные характеристики. Этот тип компрессоров выполняется с тронковыми и дифференциальными поршнями. Площадь поверхности поршня, обращенная к картеру, при тронковом поршне остается нерабочей (рис. 8.2), а при дифференциальном — может быть использована лишь частично (рис. 8.3).

Рис. 8.2.Тронковый пор­шень: А — рабочая плос­кость; Б — рабочая поверх­ность

Рис. 8.3.Дифференциальный поршень жизнеобеспечения

Поскольку в бескрейцкопфных компрессорах роль крейцкопфа играет сам поршень, нормальная составляющая поршневой силы действует через него на стенки цилиндра, что ведет к повышенному изнашиванию поршня и цилиндра и росту утечек газа через порш­невые уплотнения, которые поступают в картер. В бескрейцкопф­ных компрессорах для смазывания цилиндров и механизма движе­ния используют компрессорные масла, обладающие достаточной вязкостью при высокой температуре стенок рабочей камеры, но они 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 подачах они имеют боль­шие диаметры поршней. Основные преимущества бескрейцкопф­ных компрессоров — малая масса и габаритные размеры. Наиболее рациональная область их применения ограничивается мощно­стью 40...50 кВт. Более крупные компрессоры целесообразно вы­полнять крейцкопфными. В системах жизнеобеспечения применя­ют исключительно бескрейцкопфные компрессоры.

Поршневые компрессоры по расположению осей цилиндров в пространстве делят на вертикальные, горизонтальные и угловые.

Вертикальные компрессоры занимают меньшую площадь, но при большой подаче имеют значительную высоту и сложны в обслуживании. В вертикальных компрессорах смазоч­ный материал, поступающий в цилиндр, равномерно распределяет­ся по рабочей поверхности, а попадающие вместе с ним или газом твердые частицы оседают не на цилиндрической, а на торцевой поверхности поршня, которая не соприкасается с внутренней по­верхностью цилиндра. Поэтому вертикальные компрессоры мень­ше изнашиваются и имеют лучшую герметичность уплотнений.

Силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс в вер­тикальных компрессорах действуют на фундамент вертикально, что повышает устойчивость компрессоров и позволяет использовать фундаменты меньшей массы, а также выполнять вертикальные ком­прессоры более быстроходными.

Горизонтальные компрессоры предназначены для обеспечения высокой производительности. Они лишены преиму­ществ вертикальных машин, однако более просты в обслужива­нии. Широкое распространение в последние годы получили гори­зонтальные компрессоры с расположением цилиндров по обе сто­роны вала, так называемые оппозитные компрессоры, которые об­ладают существенными преимуществами перед компрессорами дру­гих типов.

Основным преимуществом оппозитных компрессоров является возможность выполнения их многорядными с расположением в каждом ряду одного цилиндра (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Схема оппозитного компрессора.

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).

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 выполняют V-, W-, вееро- и звездо­образными и в основном с одноколенным валом, к которому при­соединяют до четырех шатунов.

Основные преимущества угловых компрессоров следующие: они 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; простота их конст­рукции и малая длина вала, что способствует применению под­шипников качения; удобство монтажа. Угловые компрессоры, в частности V-, W-образные, находят широкое применение в различ­ных системах, особенно в холодильных машинах.

Важным отличительным признаком конструкции многоступен­чатого компрессора является вид поршня. Многоступенчатые ком­прессоры выполняют двух типов:

1) с дифференциальными поршнями и несколькими ступенями сжатия в одном цилиндре;

2) со ступенями сжатия в отдельных цилиндрах.

В компрессоре первого типа (рис. 8.5) ступени сжатия разне­сены по обе стороны дифференциального поршня (I-II — ступени компрессора). Принцип работы виден на индикаторной диаграмме, построенной совместно для обеих ступеней (рис. 8.6).

При движении поршня вправо происходит всасывание в первую ступень (линия 4'—1'), сжатие и выталкивание во второй ступени (линии 3'-2" и 2"—3").

Рис. 8.5.Двухступенчатый ком- прессор с дифференциальным порш- нем

Рис. 8.6. Теоретическая индикаторная диаграмма двухступенчатого компрес- сора с дифференциальным поршнем

 

Когда поршень начинает двигаться влево, в первой ступени про­исходит сжатие, а во второй — расширение газа. Последний про­цесс идет до тех пор, пока давление в цилиндре не достигнет р'₂ в точке 4"'. В этот момент открывается всасывающий клапан вто­рой ступени и поршень, двигаясь влево, будет всасывать газ из замкнутого пространства охладителя. При этом давление газа бу­дет снижаться. Когда поршень займет положение, определяемое точкой 2', давление газа в охладителе снизится настолько, что от­кроется напорный клапан первой ступени и газ будет поступать из нее через охладитель во вторую ступень. Давление газа будет из-меняться по линии 2'—3'. В начале хода вправо в первой степени происходит расширение газа по политропе 3'—4''.

Объемы цилиндров первой и второй ступеней компрессора не­одинаковы, поэтому рассмотренные диаграммы имеют различные масштабы абсцисс. В компрессорах этого типа процессы сжатия и ступенях осуществляются на разных ходах поршня, поэтому ра­бочие усилия на ходовые части распределяются достаточно равно­мерно.

Используя принцип создания ступеней при помощи поршня переменного диаметра, можно создать компрессор с большим чис-лом ступеней. На рис. 8.7 приведена схема шестиступенчатого компрессора (I-VI).

Рис. 8.7. Схема шестиступенчатого компрессора

с диф­ференциальным поршнем

 

В компрессорах второго типа газ последовательно подается из одного цилиндра в другой, каждый из которых представляет собой ступень сжатия. Объем каждого последующего цилиндра, естествен­но, меньше предыдущего.

Рис. 8.8.Схемы поршневых компрессоров: а - одноцилиндровый двой­ного действия; б - двухступенчатый дифференциальный; в - двухцилин­дровый трехступенчатый; г - двухцилиндровый одноступенчатый; д - трехцилиндровый двухступенчатый V-образный; е - двухцилиндровый двухступенчатый угловой; ж - двухцилиндровый двухступенчатый оппо-зитный; з — однорядный двухцилиндровый двухступенчатый;

I—Ill -номера ступеней