ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ РЯД ВИНТОВЫХ КОМПРЕССОРНЫХ УСТАНОВОК ПРОИЗВОДСТВА ОАО «ПТМЗ». НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ

Винтовые компрессоры, появившиеся в конце 30-х годов прошлого века, получили широкое распространение. Они используются в компрессорных установках для сбора и транспортировки попутного нефтяного газа, буровых станках, стационарных и передвижных компрессорных станциях общего назначения, холодильных машинах и т.п.

Винтовые компрессоры обеспечили качественный скачек в развитии компрессорных технологий. В результате появились компрессоры, обладающие такими свойствами, которые невозможно было обеспечить классическими поршневыми технологиями.

Винтовые компрессоры стремительно завоевывают рынок компрессорного оборудования в настоящее время 90% винтовых компрессоров, выпускаемых в мире, приходится на долю маслозаполненных компрессоров. Объективной причиной этого процесса является необходимость внедрения высокоэффективного, энергосберегающего оборудования, имеющего высокие показатели надежности и ремонтопригодности. В диапазоне от 5 м3/мин до 50 м3/мин маслозаполненный винтовой компрессор в настоящее время обеспечивает самую низкую стоимость 1м3 сжатого воздуха по сравнению с другими типами компрессоров. Следует отметить следующие преимущества винтовых компрессоров:

1. По сравнению с поршневыми:

- высокая надежность и долговечность в связи с отсутствием клапанов и деталей, совершающих возвратно-поступательное движение;

- равномерность подачи сжатого воздуха (отсутствие пульсаций), что исключает необходимость в воздухосборниках большого объема;

- значительно меньшая удельная металлоемкость и габариты установки;

- полная уравновешенность роторов и, как следствие, отсутствие необходимости в тяжелых фундаментах;

- простота конструкции и обслуживания, возможность полной автоматизации;

- стабильность рабочих характеристик в процессе длительной эксплуатации.

2. По сравнению с центробежными:

- отсутствие помпажных зон;

- незначительное изменение производительности и КПД машины в широких пределах изменения степени повышения давления;

- относительно низкие скорости вращения роторов и, как следствие, более высокая надежность;

- возможность получения в одной ступени степени повышения давления до П=13.

3. По сравнению с ротационно-пластинчатыми:

- высокая надежность в связи с отсутствием деталей, имеющих трущиеся поверхности;

- более высокие значения КПД в широком диапазоне изменения параметров компрессора;

- более широкая область применения по давлению и производительности.

В настоящее время винтовые компрессоры выпускают более 50 фирм в 15 странах мира.

Дальнейшее совершенствование конструкции винтовых компрессоров расширяет область их применения как в сторону низких давлений (вакуум-компрессоры), так и в сторону повышения давления нагнетания. Применение в маслозаполненном компрессоре золотникового устройства для плавного регулирования производительности в пределах от 100 до 10% пропорциональным изменениям потребляемой мощности способствовало широкому внедрению винтовых компрессоров в холодильную технику. Наличие масла в рабочей полости компрессора позволяет выполнить его без шестерен связи и, благодаря герметизации зазоров, и интенсивному охлаждению газа в процессе сжатия, получить в одной ступени высокие степени повышения давления.

В маслозаполненных компрессорах, для которых характерны сравнительно невысокие окружные скорости, обычно применяют подшипники качения. Радиальные нагрузки воспринимаются роликовыми подшипниками, а осевые нагрузки – радиально-упорными шариковыми подшипниками. Наличие двух вертикальных разъемов упрощает технологию изготовления корпуса, что важно при серийном производстве.

Наиболее ответственным направлением совершенствования винтового компрессора является выбор и оптимизация профилей зубьев роторов. Поэтому анализ различных профилей с целью определения лучшего, обеспечивающего наиболее высокие энергетические показатели компрессора является важной задачей. Экспериментальное определение такого профиля практически невозможно в связи с трудностями изготовления большого количества сопряженных роторов с различными профилями.

Начало современной практики профилирования и изготовления винтового компрессора в массовом масштабе было положено в конце 70-х годов прошлого века после того, как шведская компания SRM освоила профили "А", а позднее т. н. "Д" профили (асимметричные), которые при соблюдении требований основной теоремы зацепления и условия неразрывности линии контакта обеспечили требуемую

конфигурацию щелей и позволили получить высокие энергетические и массогабаритные показатели компрессорной машины.

В целом разработанные асимметричные профили роторов позволили уменьшить профили треугольной щели в 8-20 раз по сравнению с круговыми или эллиптическими профилями; сократить площадь щели по линии контакта между роторами на 7-5%и как следствие в среднем внутренний адиабативный КПД вырос на 5-7 %.

Большая часть винтовых компрессоров все еще выпускается в конфигурации 4/6 (четыре зуба ведущего ротора и шесть впадин у ведомого ротора). Оба ротора имеют один и тот же наружный диаметр. Эта конфигурация имеет хорошие характеристики при применении в маслозаполненных компрессорах. Также все более популярными становятся другие конфигурации, также как 5/6 и 5/7, и с недавнего времени 4/5 и 3/5. Пять зубьев в ведущем роторе предпочтительны в компрессорах с относительно высокой степенью сжатия. Конфигурация 4/5 оказалась наилучшей в маслозаполненных компрессорах при умеренных отношениях давлений, а конфигурация 3/5 в сухих компрессорах. Роторы с конфигурацией 4/5 обладают рядом благоприятных особенностей, таких как большой рабочий объем, короткая линия сжатия и небольшая площадь всасывающего окна. Низкий крутящий момент, ведомого ротора и контакт роторов по эвольвенте обуславливают незначительное напряжение на поверхности роторов. Поперечное сечение стенок впадин ведомого ротора позволяет прикладывать значительные усилия резания при их изготовлении фрезированием;

Главным фактором, определяющим эксплуатационные характеристики всех винтовых компрессоров, является конструкция роторов. Несмотря на то, что современные профили являются необходимым условием для эффективной работы винтовых компрессоров, все другие комплектующие должны проектироваться таким образом, чтобы улучшать характеристики, если цель заключается в том, чтобы в полной мере использовать все возможности компрессора. Так необходимо подобрать оптимальные зазоры между роторами и корпусом. Это в свою очередь требует применение качественных шарикоподшипников. В винтовом компрессоре, который работает при больших разностях давлений, возникают значительные нагрузки, обязанные с осевыми и радиальными силами, которые передаются на корпус подшипниками. Для малых и средних винтовых компрессоров обычно выбирают подшипники качения. На стороне нагнетания валы роторов снабжают двумя подшипниками для восприятия радиальных и осевых нагрузок. Кроме того расстояние между осями роторов в значительной мере определяется размером подшипников и величиной радиального биения внутреннего кольца шарикоподшипника.

Вторым фактором по степени влияния на эксплуатационные характеристики винтового компрессора является выбор оптимального количественного расхода масла через компрессор.

Одно и тоже масло используется и для уплотнения камеры сжатия и для и для смазки подшипников, однако подвод масла к подшипникам производят отдельно для снижения потерь трения в подшипниках. Масло впрыскивают в камеру сжатия компрессора в том месте, где как показывают термодинамические расчеты, температура всасываемого воздуха и масла совпадают. Это место определяют на геликоиде ротора, причем точку впрыска располагают таким образом, чтобы масло поступало по касательной к кромке ведомого ротора с целью снижения потерь кинетической энергии масляной струи.

Впрыск капельной жидкости в газообразную среду в процессе сжатия приводит к образованию бинарных гетерогенных смесей. Картину, происходящего при этом в компрессоре, можно представить себе следующим образом. Впрыск капельной жидкости в винтовой компрессор приводит к загромождению щелей жидкостью или уменьшению диапазона изменения температуры винтов и корпуса, что позволяет уменьшить зазоры в машине. Эффективное сечение щелей уменьшается. Это в свою очередь вызывает уменьшение количество утечек газа и снижение его температуры, что способствует улучшению наполнения всасывающих полостей свежим газом.

Все это приводит к увеличению коэффициента подачи и снижению потребляемой мощности.

Однако при больших количествах смазывающего масла, когда значительная часть его проталкивается винтами через компрессор, удельная мощность может увеличиться.

Особенностью конструкции компрессорных установок с маслозаполненными винтовыми компрессорами является развитая масляная система, обеспечивающая подачу масла на впрыск в корпус компрессора и отделение его от сжатого воздуха по стороне нагнетания.

Маслозаполненные винтовые компрессоры только в том случае позволяют реализовать свои преимущества, если имеют надежную систему маслоотделения.

А лишь в редких случаях потребителю требуется сжатый газ, содержащий незначительное количество масла. Для большинства потребителей компрессорной техники масло является вредной примесью, а требование потребителя к чистоте сжатого воздуха является одним из важнейших факторов при выборе компрессорной техники.

Немаловажное значение имеет требования по ограничению металлоемкости и габаритных размеров компрессорной установки. В связи с этим возникает необходимость создания унифицированных конструкций маслоотделителей, включая фильтры тонкой очистки.

На нагнетании маслозаполненного винтового компрессора сжатый газ содержит в себе большое количество масла – до 20 г/м3 . Большая часть масла выбрасывается вместе с газом в виде струй и крупных капель, которые отделяются в первой ступени маслоотделителя гравитационного или инерционного типа. Оставшаяся же часть масла от 0,5 до 3% высокодиспергирована (от 0,5 до 20 мкм) и ее отделение представляет значительную трудность.

В общем случае существующие способы очистки сжатого воздуха от масла предусматривают:

- грубую очистку – очистку от капельного масла;

- тонкую очистку – очистку от мелко и крупнодисперсионных аэрозолей масла;

- супертонкую очистку (осушку) – очистку от паров масла.

По фракционному составу и способу улавливания масла газовоздушные смеси можно разделить на следующие группы:

- первая группа: паровая аэрозоль (частицы размером от 0,01 мкм) улавливается, в основном, методом осушки при помощи охлаждения или адсорбции;

- вторая группа: тонкодисперсная аэрозоль (частицы размером от 0,01 до 10 мкм; улавливается волокнистыми (реже пористыми) фильтрами под действием механизма коагуляции;

- третья группа: капельная аэрозоль (частицы размером от 10 до 50 мкм); достаточно эффективно улавливается с помощью действия центробежных и инерционных сил;

- четвертая группа: капельная аэрозоль (частицы размером более 50 мкм); улавливается под действием гравитационных сил.

В современных винтовых маслозаполненных компрессорных установках используются волокнистые фильтроэлементы.

Лучшие образцы волокнистых фильтров способны обеспечивать практически полное удаление мелкодисперсной аэрозоли масла из сжатого газа, достигая эффективности 99,99% при перепадах давления не более 0,2 кгс/см2.

Технические требования, предъявляемые к системам фильтрации, определяются требованиями потребителя сжатого воздуха и техническими возможностями изготовителей фильтрующих элементов. Можно отметить ряд общих, типичных требований:

- системы фильтрации должны обеспечить необходимую эффективность и расход;

- иметь достаточно продолжительный срок службы без замены фильтрующих элементов;

- должны быть надежны в работе;

- не вносить загрязнений в поток газа;

- иметь небольшое сопротивление;

- иметь устройство для удаления отделенного масла;

- просты в обслуживании, компактны и дешевы.

Эффективность очистки воздуха элементами с волокнистым фильтрующим слоем зависит от толщины волокон, плотности и равномерности фильтрующего слоя, глубины слоя, материала волокон, скорости движения воздуха, размера частиц аэрозоля, чистоты масла.

Конструкции инерционных частей маслоотделителей отличаются большим разнообразием. Наиболее перспективна вертикальная компоновка, которая предоставляет большие возможности для размещения фильтрующих элементов, в первую очередь, позволяя сократить габариты и вес маслоотделителя.

Эффективность работы винтовых компрессоров на переменных режимах во многом зависит от экономичности способа регулирования производительности.

Известно, что лишь около 70% всего рабочего времени компрессор работает при полной нагрузке. Отсюда очевидная возможность решения задачи в направлении повышения экономичности регулирования.

Существуют следующие способы регулирования производительности:

1 Пуск и останов компрессора

2 Перевод компрессора на режим холостого хода при достижении верхнего предела давления в сети. При этом всасывающий трубопровод перекрывается дроссельным клапаном.

3 Дросселирование воздуха на всасывании.

4 Изменение частоты вращения, что экономически наиболее целесообразно. В данном случае должен применяться привод, позволяющий изменить частоту вращения.

За счет автоматической регулировки частоты вращения привода в условиях частичной нагрузки производится строго необходимое количество сжатого воздуха при постоянном давлении. Такие компрессорные установки потребляют электроэнергию прямо пропорционально своей производительности, что означает существенное снижение энергозатрат и экономию материальных ресурсов. При этом исключается перепроизводство сжатого воздуха и перерасход энергии.

Современные приводы с частотным регулированием обеспечивают плавный пуск и останов без высоких механических нагрузок, многофакторную защиту

электродвигателя и питающих сетей. Гибкое, адаптивное управление технологическим процессом, динамическое торможение и т.п.

Автоматизированные системы управления позволяют не только управлять компрессорной установкой, но и обеспечивают индикацию состояния важнейших функциональных узлов установки, выдают на экран дисплея. или подключенной удаленной ПЭВМ информацию о времени необходимого обслуживания и замены расходных материалов. Компрессорными установками можно управлять через сети интернет и мобильные телефоны.

Таким образом мы являемся участниками качественного развития и совершенствования компрессорных технологий. Создается продукция отвечающая всем возможным требованиям потребителя.

Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Сумы 2004