Винтовые и роторные холодильные компрессоры

Несмотря на широкое использование в холодильных машинах компрессоров поршневого типа, последние при достаточно высо­ком уровне объемных, энергетических и конструктивных показа­телей имеют существенные недостатки, препятствующие теплотех­ническому и эксплуатационному совершенствованию паровых хо­лодильных машин, повышению их надежности.

Основные недостат­ки поршневых компрессоров: необходимость преобразования вращательного движения вала в возвратно-поступательное движение поршней и связанные с этим сложности: уравновешивание конструкции, использование жестких и массивных рамных элементов;

наличие изнашиваемых элементов: неравномерность подачи, обусловливающую наличие таких малонадежных элементов, как клапаны;

пульсации давления паров хладагента на выходе, приводящие к высокому уровню шума;

большие нагрузки при пуске, требующие большого запаса мощности и приводящие к износу компрессора.

 

Отмеченные недостатки поршневых конструкций в значительной степени преодолеваются в таких компрессорных машинах объемного сжатия, как винтовые и роторные.

Винтовые компрессоры — это машины, работа которых обеспе­чивается постоянным направленным вращательно-поступательньпм движением газа (пара) в пространстве, образуемом винтовыми вы­ступами-зубьями и впадинами роторов (винтов). В винтовом ком­прессоре сжатие происходит в криволинейном цилиндре, из кото­рого газ вытесняется криволинейным поршнем. Роль цилиндров в такой машине играют впадины между зубьями каждого ротора, роль поршней — сами зубья.

 

Конструктивная схема двухроторного винтового компрессора приведена на рис. 2. Ведущий и ведомый роторы (винты) такого компрессора устанавливают в опорных подшипниках скольжения или качения, один из которых играет роль опорно-упорного. В ряде конструкций для восприятия осевых нагрузок на ведущем роторе размещают разгрузочный поршень. Винты роторов представляют собой косозубые крупномодульные шестерни с постоянным осе­вым шагом с зубьями определенного профиля. Для изготовления винтов необходимы специальный инструмент и оборудование.

В винтовом компрессоре рабочий процесс (чередование всасы­вания, переноса рабочего тела, сжатия и нагнетания) имеет цикли­ческий характер, частота которого зависит от частоты вращения ротора и числа его зубьев (впадин).

При вращении роторов зуб ведущего ротора входит во впадину ведомого и уменьшает ее объем. Процесс сжатия начинается с мо­мента отсечки впадины от полости всасывания и заканчивается при достижении впадиной окна нагнетания. Отношение полного объе­ма парной полости (сумма объемов, образованных поверхностями между зубьями и впадинами обоих роторов) в начале сжатия (в кон­це всасывания) к объему этой полости в конце сжатия, называемое геометрической степенью сжатия, определяет так называемую внут­реннюю степень повышения давления винтового компрессора.

В каждом винтовом компрессоре геометрическая степень сжатия и, следовательно, внутренняя степень повышения давления, опреде­ляются геометрией зацепления роторов и расположением всасыва­ющего и нагнетательного окон, т.е. параметров, заложенных в кон­струкцию компрессора. Чтобы предотвратить перетекание газа из полости сжатия и нагнетания в полость всасывания, зубья роторов профилируют так, чтобы между ними обеспечивалась неразрывная линия контакта. Зубья на длине ротора не образуют полного витка; окна всасывания и нагнетания расположены по диагонали.

Основные преимущества винтовых компрессоров по сравнению с поршневыми обусловлены отсутствием деталей с возвратно-по­ступательным движением. Это предопределяет быстроходность ма­шин, практически непрерывную подачу, рациональные удельные показатели по габаритным размерам и массе, высокую надежность и большой срок службы, который для маслозаполненных компрес­соров обычно превышает 40 000 ч. Винтовые компрессоры не тре­буют значительных капитальных затрат и эксплуатационных рас­ходов, отнесенных к единице холодопроизводительности. Суще­ственные недостатки винтовых компрессоров: неизменная геометрическая степень сжатия, что лишает их саморегулирования по давлению внутреннего сжатия; значительное обратное перетека­ние хладагента в машинах малой производительности, что снижа­ет энергетическую эффективность винтовых компрессоров по срав­нению с поршневыми одинаковой производительности.

Специфика рабочего процесса и конструкции винтовых комп­рессоров, (помимо отмеченных выше преимуществ перед поршне­выми одинаковой холодопроизводительности) позволяет реализо­вать ряд схем, существенно повышающих эффективность холодиль­ных машин. Так, при использовании маслозаполненных компрес­соров с золотниковой системой регулирования значительный интерес представляет возможность дополнительного ввода хладагента при некотором промежуточном давлении в полость сжатия, когда последняя во время вращения роторов отсоединяется от полости всасывания. В холодильной машине с одноступенчатым винтовым компрессором такое мероприятие позволяет осуществить цикл двухступенчатого сжатия с промежуточным охлаждением (рис. 3).

 

 

Рис..3. Схема холодильной машины двухступенчатого сжатия с одноступенчатым | винтовым компрессором (а) и ее термодинамический цикл (о)

 

Винтовой компрессор ВК засасывает пары хладагента из испа­рителя и сжимает их до промежуточного давления Р_т В сечение по длине винтов, где достигается это давление, подают пары хладаген­та, прошедшего охладитель ПО (состояние, соответствующее точке 9). После смешения потоков (состояние точки 3) на оставшейся дли­не винтов реализуют вторую ступень повышения давления до требуе­мого уровня — до давления Рк, с которым пары поступают в конден­сатор КС. После конденсатора основная часть потока жидкого хла­дагента поступает в охладитель, где охлаждается потоком, прошед­шим вспомогательный дроссельный вентиль Д_в (процесс 5—7), дрос­селируется в основном вентиле Д₀ и поступает в испаритель.

При небольшой производительности (до 30—40 м³/ч) определенные преимущества перед поршневыми и винтовыми компрессорами име­ют роторно-поршневые машины вытеснительного типа с внутренним сжатием хладагента. Рабочий процесс такого компрессора проходит в изолированных друг от друга полостях — камерах изменяемого объе­ма, образуемых внутренней поверхностью корпуса (охватывающая де­таль) и наружной поверхностью ротора — вытеснителя, совершающе­го сложное планетарное движение — вращение вместе с валом и пово­рот относительно него. Подобную кинематику, в результате которой происходит изменение объема камер, обеспечивает эксцентриковый вал и зубчатая синхронизирующая передача внутреннего зацепления. При этом подвижная шестерня передачи, связанная с ротором, имеет внут­ренние зубья, а неподвижная, закрепленная в корпусе, — наружные.

Непрерывный контакт рабочих поверхностей корпуса и ротора при вращении вала достигают сочетанием их теоретических про­филей. Исходный профиль выполняют по кривой, называемой тро­хоида, а сопряженный — по огибающей этой трохоиды (компрес­соры такого типа называют трохоидными). При вращающемся роторе внутренней огибающей будет эпитрохоида. Камеры уплот­няют радиальными торцевыми уплотнениями, которые устанавли­вают в вершинах ротора и прижимают к рабочей поверхности пру­жинными или пластинчатыми эспандерами. При эффективной си­стеме уплотнения камер, от которой зависят объемные и энерге­тические показатели такого компрессора, в одной ступени повы­шения давления можно получить до 1 МПа.

Преимущества роторно-поршневых компрессоров подобного типа перед поршневыми состоят в отсутствии элементов с возврат­но-поступательным движением, что позволяет обеспечить высокую быстроходность, следовательно, хорошие удельные показатели по массе и габаритным размерам. Конструкция, изготовление и тех­ническое обслуживание роторно-поршневых машин проще, а дол­говечность выше, чем поршневых.

 

Рабочий процесс роторно-поршневого компрессора с двух­вершинным ротором (рис. 4) состоит в периодическом соеди­нении камер с впускным трак­том машины, переносе хладаген­та к нагнетательному тракту, а затем вытеснении его в этот тракт. При этом соединение ка­меры с впускным трактом про­ходит во время увеличения ее объема, а с нагнетательным — при уменьшении. Газораспреде­ление такого роторно-поршнвого компрессора обеспечивают окна с постоянной площадью сечения, выполненные в корпусе. Преимущества этого варианта состоят в существенном повышении надежности и экономичности машины по сравнению с поршневым компрессором, большая часть отказов ко­торого связана с поломкой клапанов, а снижение экономичности — с гидравлическими потерями в них.

Недостатком такой системы газораспределения является неудов­летворительная работа компрессора на переменных режимах. Эф­фективную многорежимную работу роторно-поршневых компрес­соров, что особенно важно для холодильных компрессоров под­вижного состава, обеспечивает сочетание впускных окон с уста­новкой автоматически действующего нагнетательного клапана.

Подготовлен к серийному выпуску типовой ряд роторно-порш­невых компрессоров с двухвершинным ротором и комбинирован­ной системой газораспределения холодопроизводительностью от 7 до 21 кВт. Давление нагнетания в одноступенчатом варианте та­ких машин до 0,5 МПа, двухступенчатом до 1.3 МПа. Технико-эко­номические показатели опытно-промышленных образцов подоб­ных компрессоров превосходят уровень соответствующих показа­телей отечественных и зарубежных поршневых компрессоров. Так, при одинаковом «описываемом объеме» и частоте вращения вала 1440 мин-¹ роторно-поршневой компрессор типа РПК 0,4 холодо­производительностью 9,8 кВт в стандартных условиях работы на R12 (температуры всасывания, кипения и конденсации соответственно +20, -15 и +30 °С) обеспечивает повышение удельной холодопроиз-водительности (холодильного коэффициента) на 8 % при существен­но меньших габаритных размерах и массе (290 х 245 х 245 мм против 368 х 165 х 392 мм и 29,4 кг против 50,5 кг).

 

 

Рис. 4. Схема роторно-поршневого компрессора с двухвершинным ротором: 1-выпускное окно: 2 — корпус; 3 — зубчатая синхронизирующая передача внутреннего зацепления; 4 — ротор;5—радиальное торцевое уплотнение: 6—эксцентриковый вал; 7—впускное окно