Поршневой компресор

    Поршневые компрессоры являются машинами объемного действия, предназначенные для сжатия и перемещения газов по трубопроводам. В объемных поршневых компрессорах давление газа повышается за счет уменьшения пространства (в цилиндре поршневого блока), в котором находится газ. Для повышения производительности поршневых компрессоров необходимо увеличить размеры цилиндра н других узлов компрессора. При этом возрастает масса узлов, совершающих возвратно поступательное движение и соответственно действующие на них силы инерции. Поэтому при увеличении размеров поршневых компрессоров необходимо снижать скорость движения поршня.

На рис. 117 представлена схема поршневого компрессора простого действия. В цилиндре 1 расположен поршень 2, который под действием кривошипного механизма совершает возвратно-поступательное движение. На крышке 12 цилиндра расположены всасывающий 7 и нагнетательный клапан, которые составляют механизм распределения, регулирующий поступление газа в цилиндр и подачу его из цилиндра в нагнетательный трубопровод.

При движении поршня вниз давление между цилиндром и поршнем меньше, чем давление во всасывающем патрубке. При открытии всасывающего клапана газ попадает в цилиндр. Когда поршень достигает крайнего нижнего положения, давление в цилиндре и всасывающем трубопроводе практически выравнивается. Клапан под действием пружины прижимается к седлу и перекрывает отверстие, соединяющее полость цилиндра со всасывающим трубопроводом. В течение всего периода всасывания отверстие нагнетательного клапана закрыто.

При движении поршня вверх происходит сжатие газа, находящегося в цилиндре. Когда давление газа станет больше, чем в нагнетательном трубопроводе, нагнетательный клапан, откроется и газ "вытолкнется" из цилиндра. Этот процесс будет про исходить до тех пор, пока поршень не займет крайнее верхнее положение, тогда нагнетательный клапан закрывается и процессы всасывания и нагнетания повторяются.

    Процессы всасывания и нагнетания совершаемые за один оборот коленчатого вала, составляют полный цикл работы компрессора. Компрессор описанной выше конструкции называется одноступенчатым компрессором простого действия. Недостатком такого компрессора является то, что полезная работа совершается только при движении поршня в одном на правлении.

Pис.117. Схема вертикального одноступенчатого компрессора простого действия:

I - цилиндр; 2 -поршень; 3-рубашка для охлаждения цилиндра; 4-шатун; 5- криво

шип коленчатого вала; 6 -станина - картер; 7 -  всасывающий  клапан; 8 - всасываю

щий патрубок;  9-  нагнетательный патрубок;   10 - нагнетательный клапан;  11-рубашка для охлаждения крышки. 12 - крышка цилиндра

    Более экономичной и производительной работой является конструкция компрессоров так называемого двойного действия (рис. 118). Компрессор двойного действия работает следующим образом. Когда поршень движется вправо, а левой части цилиндра создается разрежение.

    Газ через левый всасывающий клапан, 15 поступает в цилиндр. Одновременно в правой части цилиндра происходит сжатие газа, вошедшего в рабочее пространство в предыдущем цикле, и выталкивание его через правый нагнетательный клапан 4 в нагнетательный трубопровод 3.

Рис.118. Схема горизонтального одноступенчатого компрессора двойного действия:

1- цилиндр; 2- поршень; 3 - нагнетательный патрубок; 4 - нагнетательный клапан; 5-задняя крышка цилиндра; 6 - сальник;  7 - шток; 8 - ползун;

9 - шатун; 10 - кривошип коленчатого вала; 11 - коленчатый вал;

 12 - станина; 13,17и18- рубашки соответственно для охлаждения задней и передней крышек цилиндра; 14 - всасывающий патрубок; 15 - всасывающие клапаны; 16 - передняя крышка цилиндра

        При движении поршня влево всасывание происходит через правый всасывающий клапан, а выталкивание сжатого газа через левый нагнетательный клапан. В этом случае обе стороны поршня являются рабочими.

    Компрессоры простого и двойного действия могут иметь один или несколько цилиндров. Компрессор, который имеет несколько цилиндров, работающих параллельно и выталкивающих сжатый газ в один и тот же нагнетательный коллектор, называется многоцилиндровым одноступенчатым компрессором.

    Если в компрессоре несколько цилиндров работают последовательно, т. е. сжатый воздух из одного цилиндра поступает для дальнейшего сжатия в следующий, то такой компрессор называется многоступенчатым. Если же в каждой рабочей полости компрессора давление повышается (от давления во всасывающей полости до давления в нагнетательном трубопроводе), то независимо от числа цилиндров и рабочих полостей такой компрессор является одноступенчатым.

    Рассмотрим работу механизма движения одноступенчатого компрессора (рис. 118), под действием которого поршень совершает возвратно-поступательное движение. Шатун 9 служит для передачи движения от кривошипа 10 коленчатого вала 11. Вращательное движение вала преобразуется в возвратно-поступательное. Ползун 8 - деталь скользящая в прямолинейных направляющих, жестко связанная со штоком 7 и шарнирно - с шатуном 9. Ползун передает продольные усилия на шток, а по перечные- на направляющие. В бесползунных компрессорах движение от вала поршню передается шатуном. Шток 7 служит для соединения поршня 2 с поршнем 8.

     Одноступенчатый поршневой компрессор. Сжатие и перемещение газов в компрессорах происходит за счет того, что газ в рабочем пространстве поршневого компрессора сжимается под действием перемещающегося поршня.

    Процесс сжатия - расширения газа в компрессоре изображают обычно на диаграммах в координатах р-V. Рассмотрим теоретический процесс работы поршневого компрессора (рис. 119). Поршень из крайнего правого положения (точка 1) начинает двигаться влево. Впускной клапан В закрывается, и начинается процесс сжатия газа в рабочем пространстве компрессора. Этот процесс, который на диаграмме соответствует кривой 1-2, характеризуется уменьшением объема рабочего пространства и возрастанием давления газа. Когда поршень достигает точки 2, давление газа в рабочем пространстве компрессора уравновешивается давлением в напорном трубопроводе. В этом случае открывается выпускной клапан В₁ и происходит выталкивание газа из рабочего пространства компрессора в напорный трубопровод при постоянном давлении (кривая 2-3). Точка 3 соответствует крайнему левому положению поршня. Так как рассматривается теоретический цикл, то необходимо исходить из предположения, что весь газ, находившийся в рабочем пространстве компрессора, выталкивается в напорный трубопровод. В этом случае как только начинается обратное движение поршня (вправо), происходит мгновенное снижение давления. Как только давление достигнет значения р₁ , откроется впускной клапан В. Этот процесс на р-V-диаграмме соответствует линии 3-4.

    По мере перемещения поршня вправо происходит процесс всасывания газа, т. е. процесс заполнения газом рабочего пространства компрессора, который на р-V-диаграмме изображается линией 4-1. Полученная диаграмма называется теоретической индикаторной диаграммой работы поршневого компрессора.

     Процесс всасывания и нагнетания происходит при постоянном давлении, а в процессе сжатия изменяются давление и объем. Известно, что при сжатии газ нагревается и температура его повышается. Если при этом газ не обменивается теплотой с окружающей средой, то такое сжатие называется адиабатным. Уравнение адиабатного процесса имеет вид

             pV^K=const,                                                                                             (144)

где k -показатель адиабаты.

В том случае, когда теплота нагретого от сжатия газа отбирается, можно создать условия, при которых газ будет сжимать ся при постоянной температуре. В этом случае процесс сжатия называется изотермным. Уравнение изотермного процесса определяется выражением

              pVⁿ=const.                                                                                          (145)

    Таким образом рассмотрены два процесса, происходящих при сжатии газа: отвод теплоты полностью отсутствует и вся теплота от газа забирается. Но возможны и такие процессы сжатия, при которых отбирается не вся теплота. В этом случае термодинамический процесс сжатия называется политропным. Уравнение политропного процесса определяется выражением

             pVⁿ=const,                                                                                          (146)

             1<n<k.

В многоступенчатых компрессорах   при одинаковой работе каждой ступени изотермическая мощность

             N_из=(_p1V1G_Дln p₂/p₁)/Z.                                                                 (170)

Мощность на валу

                             N_в = N_изб / (ƞ_изƞ_м) .                                                          (171)

    Если работа каждой ступени многоступенчатого компрессора неодинакова, то мощность компрессора равна сумме мощностей отдельных ступеней.

    Действительная индикаторная диаграмма. Для анализа реального рабочего процесса, происходящего в компрессоре, используют индикаторные диаграммы, получаемые при помощи специального прибора - индикатора (рис. 125). Индикатор со стоит из цилиндра 3, пружины 4, штифта 5, направляющих 6, штока 7 и рычага 8.

    Перемещение поршня в цилиндре индикатора пропорционально давлению газа в цилиндре 1 компрессора. При перемещении ленты диаграммы в направляющих 6 под действием рычага 5 и штока 7, связанных с поршнем 2 компрессора, обеспечивается взаимосвязь между давлением и объемом в цилиндре компрессора и вычерчивается замкнутая кривая (см. рис. 120), характеризующая ход рабочего процесса в компрессоре. Эту кривую называют действительной индикаторной диаграммой. С помощью этой кривой можно определить подачу, потребляемую мощность и неисправности компрессора.

    Для определения потребляемой мощности посредством планиметра измеряют площадь индикаторной диаграммы. Разделив площадь на длину диаграммы, вычисляют среднее индикаторное давление компрессора.

    Для выполнения указанных расчетов необходимо знать перемещение штифта при изменении давления на одну единицу измерения. Эти данные, а также данные о максимальном давлении, на котором может работать пружина, приведены в пас порте прибора.
     

Схемы поршневых компрессоров.

    Выбор схемы компрессора зависит от назначения компрессора, условий эксплуатации, подачи, рабочего давления, числа ступеней и распределения давления между ними. От схемы компрессора в значительной степени зависят размеры, масса и динамическая уравновешенность машины.

    Схема компрессора характеризуется следующими параметрами: числом ступеней, кратностью подачи, расположением цилиндров, конструкцией механизма движения  (рис. 126).

Рис. 126. Схема поршневых компрессоров:

а - одноцилиндровый двойного действия; б - двухступенчатый дифференциальный; в - двухцилиндровый трехступенчатый; г - двухцилиндровый одноступенчатый; д - трехцилиндровый двухступенчатый V-образны; е - двухцилиндровый двухступенчатый угло вой; ж - двухцилиндровый двухступенчатый оппозитный; а - однорядный двухцилиндровый  двухступенчатый;

^{__________________ -} движение  газа    при  прямом  ходе    поршня;

-  -   -  -  движение газа при обратном ходе поршня; J-III - номера ступеней

    По характеру расположения осей цилиндров компрессоры подразделяют на три основные группы: вертикальные, горизонтальные и угловые.

    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 торцовой поверхности поршня, которая не соприкасается с внутренней поверхностью цилиндра. Поэтому вертикальные компрессоры меньше из нашиваются и имеют лучшую герметичность уплотнений.

    Силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс в вертикальных компрессорах на фундамент действуют вертикаль но, что повышает устойчивость компрессоров и позволяет использовать фундаменты меньшей массы. Отмеченные преимущества позволяют выполнять вертикальные компрессоры более быстроходными.

    Горизонтальные компрессоры лишены преимуществ вертикальных машин. Однако, они более просты в обслуживании.Наиболее совершенными с точки зрения динамической устойчивости являются угловые компрессоры. Эти компрессоры выполняют высокооборотными, их фундаменты имеют большую массу.

    Перечисленные особенности поршневых компрессоров предо­пределяют области их применения. Вертикальная схема наиболее целесообразна для высокооборотных компрессоров с малым числом ступеней. Горизонтальная схема используется в основном для относительно тихоходных стационарных компрессоров большой подачи. Угловая схема обычно применяется для передвижных компрессорных установок.

     По числу рядов цилиндров компрессоры подразделяют на однорядные и многорядные. Число рядов цилиндров в компрессоре обусловлено расположением осей цилиндров, а число степеней - подачей и рабочим давлением компрессора. Основное преимущество однорядных компрессоров заключается в их простой конструкции.

      Многоступенчатые горизонтальные компрессоры обычно выполняют по однорядной или двухрядной схеме, а компрессоры, имеющие более пяти ступеней,- по двухрядной схеме.

    К наиболее прогрессивным схемам относятся горизонтальные компрессоры с оппозитным (взаимнопротивоположным) расположением цилиндров относительно вала в двух или более рядах (рис. 127).

Рис. 127. Схемы баз компрессоров:

Где а и б - оппозитных W-образных с движением поршней соответственно взаимно противоположным и однонаправленным; в - оппозитного Н-образного.

    Совокупность узлов кривошипно-шатунного механизма пор­шневого компрессора называют его базой. Оппозитное испол­нение баз характеризуется расположением шатунов и ползунов по обе стороны коленчатого вала.

    В комплект узлов, повторяющихся в ряде компрессоров, вхо­дят станина с коренными подшипниками и направляющими ползуна, коленчатый вал, шатуны, ползуны, узлы смазочной системы кривошипно-шатунного механизма.