Лекция 11x

Лекция 11
ПОРШНЕВЫЕ КОМПРЕССОРЫ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Устройство и принцип действия поршневого компрессора.
Классификация поршневых компрессоров
Характеристики поршневого компрессора.
Многоступенчатое сжатие
Детали поршневых компрессоров
Регулирование и обслуживание поршневых компрессоров.
1. Устройство и принцип действия поршневого
компрессора.
Для малорасходных газопроводов и компрессорных станций, как правило
применяют поршневые компрессоры с приводом от двигателей внутреннего
сгорания, топливом для которых служит транспортируемый (закачиваемый) газ.
Они являются сравнительно тихоходными машинами с частой вращения п =300375 об/мин, достоинством которых возможность получения большой степени
сжатия и изменения внешних характеристик, а недостатком малая единичная
мощность и производительность, большая металлоемкость.
Поршневые компрессоры по числу ступеней сжатия делятся на
одноступенчатые, двухступенчатые и многоступенчатые, а по характеру
действия — на компрессоры простого (одинарного) и двойного действия.
Одноступенчатые компрессоры изготовляются горизонтальными и
вертикальными; горизонтальные компрессоры являются большей частью
машинами двойного действия, а вертикальные — простого действия.
Одноступенчатый компрессор простого действия (рис. 11.1, а) имеет
цилиндр 1, который с одной стороны открыт, а с другой — закрыт крышкой, в
которой расположены всасывающий и нагнетательный клапаны 3 и 4. Поршень
2 соединен непосредственно с шатуном 5. Такие компрессоры отличаются
простотой устройства — они не имеют сальника и ползуна (крейцкопфа).
В одноступенчатых компрессорах двойного действия (рис. 11.1, б) газ в
цилиндре 1 сжимается по обе стороны поршня 2; поэтому цилиндр снабжен
двумя всасывающими клапанами 3 и двумя нагнетательными клапанами 4.
Устройство компрессоров двойного действия сложнее, но зато, при равном
весе и равной занимаемой площади, они дают вдвое большую
производительность, чем компрессоры простого действия.
Для охлаждения сжатого газа цилиндр, а иногда и крышки компрессоров
снабжают водяными рубашками. На коренной вал компрессора насажен маховик
8.
Для увеличения производительности одноступенчатых компрессоров
простого и двойного действия они изготавливаются многоцилиндровыми. В
двухцилиндровом компрессоре простого действия (рис. 11.1, в) поршни
работают параллельно, привод поршней осуществляется от одного коленчатого
вала с кривошипами, сдвинутыми друг относительно друга на угол 90 или
180°. Для сжатия газа до избыточного давления выше 4—5 ат (максимум 7
ат) применяют многоступенчатые компрессоры с двумя и более ступенями,
причем газ охлаждается в холодильниках между ступенями сжатия.
Рис. 11.1. Одноступенчатые поршневые компрессоры:
а- одноцилиндровый простого действия; б - одноцилиндровый двойного
действия; в - двухцилиндровый простого действия; 1 — цилиндр; 2 —
поршень; 3 — всасывающий клапан; 4 — нагнетательный клапан; 5—
шатун; 6 —крейцкопф; 7—кривошип;8 — маховик.
Многоступенчатые компрессоры изготовливают с последовательным
расположением цилиндров (по одной оси)—системы тандем (рис. 11.2, а)
или с параллельным расположением цилиндров - системы компаунд (рис.
11.2, б).
Двухступенчатые горизонтальные компрессоры часто изготовляют
одноцилиндровыми со ступенчатым или дифференциальным поршнем (рис.
11.2,в). Газ первоначально сжимается в цилиндре 1 одной стороной поршня
2, затем охлаждается в промежуточном холодильнике 9, из которого снова
поступает в цилиндр но другую сторону поршня и сжимается до заданного
конечного давления.
Горизонтальные компрессоры являются тихоходными (п=80—300
об/мин).
Они
соединяются
двигателем
ременной
передачей.
Вертикальные компрессоры быстроходные (n= 300-350 об/мин и более)
и соединяются с двигателем либо непосредственно, либо через ременную,
в частности клиноременную передачу.
Многоступенчатые
горизонтальные
компрессоры
часто
приводятся в действие тихоходным электродвигателем, ротор которого
насажен на вал компрессора и служит одновременно маховиком.
Соединение компрессора с двигателем в один агрегат дает
возможность значительно уменьшить площадь, занимаемую машиной,
причем для большей компактности цилиндры компрессора иногда
располагают V-образно, под углом друг к другу (рис. 11.2,г).
Рис. 11.2. Многоступенчатые поршневые компрессоры:
а —системы тандем; б—системы компаунд; в —с дифференциальным
поршнем; г —с V-образным расположением цилиндров. 1 — цилиндр; 2—
поршень; 3 —всасывающий клапан; 4 — нагнетательный клапан; 5 — шатун;
6 —крейцкопф; 7 —коренной вал; 8 —маховик; 9—промежуточный
холодильник.
Сжатый газ из поршневых компрессоров направляется к местам
потребления через газосборник (ресивер), служащий буфером для
смягчения толчков газа, неравномерно нагнетаемого компрессором, и
колебаний давления газа при неравномерном потреблении. В газосборнике
газ очищается от масла и влаги
2. Классификация поршневых компрессоров.
Поршневые компрессоры — машины объёмного действия, в которых
изменение объёма осуществляется поршнем, совершающим прямолинейное
возвратно-поступателъное движение.
По числу ступеней сжатия поршневые компрессоры разделяют на
одно-, двух- и многоступенчатые.
По кратности подачи - на одинарного и двойного действия;
По типу кривошипно-шатунного механизма - крейцкопфные и
бескрейцкопфные;
По числу цилиндров — на одно-, двух- и многоцилиндровые;
По расположению осей цилиндров на горизонтальные, вертикальные,
угловые.
В зависимости от расположения цилиндров по отношению к оси вала
горизонтальные компрессоры могут быть односторонними (цилиндры
расположены по одну сторону вала) и оппозитными (цилиндры
расположены по обе стороны вала).
Рис.11.2. Схема оппозитного компрессора.
В зависимости от конструкции механизма движения разработаны
нормализованные базы компрессоров. База - это совокупность сборочных
единиц, составляющих кривошипно-шатунный механизм. Основными
параметрами, характеризующими базу, является максимальная поршневая
сила, ход поршня и частота вращения вала.
Базы с горизонтальным расположением оси коленчатого вала
стандартизированы по типу (V-, W- образные, оппозитные) и параметрам:
номинальной поршневой силе, ходу поршня (от 55 до 320 мм), номинальной
частоте вращения вала (от 1500 до 375 об/мин), числу (от 2 до 8) и
расположению рядов друг относительно друга.
Вертикальные поршневые компрессоры занимают меньшую площадь,
чем горизонтальные, а фундамент, воспринимающий вертикальные
нагрузки, имеет меньшую массу.
Угловые
поршневые
компрессоры
получили
значительное
распространение благодаря ряду преимуществ перед горизонтальными и
вертикальными машинами: они лучше уравновешены (поэтому требуют
менее массивный фундамент), компактны и имеют меньшую массу.
В зависимости от расположения цилиндров по отношению к оси вала
угловые компрессоры могут быть прямоугольными. V - образными и Wобразными.
3. Характеристика поршневого компрессора
При испытании компрессора снимается, индикаторная диаграмма. На
рис. 11.3(а) показана теоретическая р—V-диаграмма одноступенчатого
компрессора простого действия.
Зависимость между давлением рабочего тела в цилиндре поршневого
компрессора и занимаемым им в данный момент объёмом может быть
получена экспериментально с помощью прибора, называемого индикатором,
а потому называется индикаторной диаграммой
На диаграмме показаны: аb—линия всасывания, bс — линия сжатия, сd —
линия нагнетания. В теоретическом процессе поршень компрессора в
крайних (мертвых) положениях (точки b и d) вплотную подходит к крышке
цилиндра и всасывание начинается сразу же по окончании нагнетания. Вид
кривой bс на диаграмме зависит от процесса сжатия газа.
Рабочий процесс в реальном компрессоре (рис. 11.3,б) значительно
отличается от теоретического. Между поршнем в мертвом положении и
крышкой цилиндра всегда остается некоторый свободный объем, так
называемое вредное пространство. Наличие вредного пространства
приводит к тому, что после нагнетания в цилиндре остается некоторое
количество сжатого газа, при обратном ходе поршня оставшийся газ начнет
расширятся и всасывание начнется лишь после того, как давление
оставшегося газа снизится до давления всасывания.
а.)
б.)
Рис. 11.3. Индикаторные диаграммы: а —теоретическая; б —
рабочего процесса в компрессоре.
Величина вредного пространства выражается долей хода поршня и
представлена на диаграмме отрезком Vвр.
Практически сжатие газа протекает по политропе bс, характеризующей
реальный процесс с частичным отводом тепла. На рис. 11.3,б пунктиром
показаны теоретические процессы сжатия по изотерме (линия bс') и по
адиабате (линия bс").
Как известно, площадь диаграммы выражает работу, совершаемую в
процессе сжатия газа. Легко видеть, что эта работа будет наименьшей при
изотермическом сжатии и наибольшей — при адиабатическом. При
охлаждении газа в компрессоре через рубашку процесс сжатия приближается
к изотермическому, причем соответственно снижается расход энергии на
сжатие газа.
Производительность поршневого компрессора. Теоретическая
производительность поршневого компрессора равна объему, описанному
поршнем в единицу времени, и определяется также как и производительность
поршневых насосов.
Таким образом, если пренебречь площадью сечения штока,
фактическая производительность компрессора составит:
Q  zFsn
(11.1)
Z – число всасывающих сторон поршня (для компрессоров простого
действия z=1)
F – площадь сечения поршня, м2
λ – коэффициент подачи
  0 (1,01  0,02
p2
)
p1
(11.2)
где
1


m


p
2

0  1  c    1 - объемный КПД определяет влияние вредного
 p1 



пространства компрессора.
с – величина вредного пространства, выражаемая отношением объема
вредного пространства к объему описанному поршнем (с= 0,03-0,08)
 p2 
  - степень сжатия газа
 p1 
m - показатель политропы (=1,2-1,4)
Для многоцилиндровых компрессоров величину Q, полученную по
формуле (11.1), следует умножить на число цилиндров. Для
многоступенчатых компрессоров F — площадь сечения поршня первой
ступени (низкого давления).
4. Многоступенчатое сжатие
Существование предела одноступенчатого сжатия обуславливает
необходимость
применения многоступенчатого сжатия. Помимо
необходимости повышения объемного коэффициента есть еще одно важное
обстоятельство, требующее применения многоступенчатого сжатия. При
сжатии газа температура его повышается. При высокой температуре может
начаться разложение масла и изнашивание трущихся поверхностей. В случае
достижения температуры вспышки смазочного масла возможно
воспламенение и взрыв компрессора. Поэтому допустимая температура газа
в компрессоре для воздуха принимается равной 453 К, что ниже температуры
вспышки смазочного масла.
В многоступенчатом компрессоре газ после сжатия в первой ступени
направляется в промежуточный холодильник, из которого поступает во
вторую ступень. После сжатия во второй ступени газ также направляется в
промежуточный холодильник, из которого поступает в третью ступень, и т.д.
Многоступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением дает
возможность приблизить процесс к изотермному с минимальной затрачиваемой работой и исключает возможность повышения температуры
сжимаемого газа до значения, недопустимого с точки зрения безопасности
эксплуатации компрессора.
Табл.11.1
Число ступеней компрессора
Число
Степень
Число
Степень
ступеней
сжатия
ступеней
сжатия
1
До 6
5
150-1000
2
4-30
6
200-1300
3
12-150
7
450-1500
4
35-400
Количество ступеней, необходимых для достижения требуемой степени
сжатия, принимают согласно табл.1.
5. Детали поршневых компрессоров.
Основные группы деталей поршневого компрессора - цилиндровая,
механизма движения и вспомогательное оборудование. В цилиндровую
группу входят узлы цилиндра, поршня и уплотнения; в группу механизма
движения - картер, коренной вал, крейцкопфы, шатуны; в группу
вспомогательного оборудования - узел смазки, фильтры, холодильники,
влагомасло-отделители, ресиверы, системы регулирования и защиты.
Основные несущие части компрессора (рама и станина) служат
базой для монтажа его деталей. Они связывают кривошипно-шатунный
механизм и поршневые группы, поэтому должны обладать достаточной
прочностью, жёсткостью, устойчивостью. В большинстве случаев станины
компрессоров выполняют в виде чугунных отливок. Для компрессоров
средней и большой производительности используют также сварные станины
и рамы. Для крепления станины к фундаменту обычно используют анкерные
болты.
Цилиндры поршневых компрессоров бывают различной конструкции в
зависимости от давления, производительности, схемы и назначения
компрессора. Цилиндры на давление до 5 МПа отливают из чугуна, на 5-15
МПа - из стали методом литья, а на давление выше 15 МПа выполняют из
поковок углеродистой и легированной стали. Рабочая поверхность цилиндров
образуется запрессованной чугунной втулкой. Цилиндры могут оснащаться
охлаждающей водяной рубашкой.
Клапанные механизмы служат для управления процессами всасывания и
нагнетания. Поршневые компрессоры оснащаются самодействующими
пластинчатыми клапанами, которые открываются и закрываются под
действием разности давлений. Пластинчатые клапаны в зависимости от
формы пластин бывают кольцевые и полосовые. Обычный кольцевой клапан
состоит из седла, к пояскам которого прижимаются пружинами кольцевые
пластины. Пружины располагают в специальных гнездах ограничителя
подъёма, который скрепляют с седлом при помощи шпильки и корончатой
гайки.
Поршень служит для изменения объёма рабочей камеры,
преобразования механической работы в энергию давления газа Он является
подвижной деталью компрессора, плотно перекрывающей поперечное сечение
цилиндра и совершающей возвратно-поступательное движение в направлении
его оси.
Существует три основных вида поршней: тронковые, дисковые и
дифференциальные. Тронковые поршни соединяют непосредственно с
шатуном при помощи поршневого пальца. Цилиндрическая поверхность
таких поршней состоит из верхнего пояса и юбки. В верхнем поясе
установлены уплотнительные поршневые кольца, в юбке - маслосъемные
кольца Тронковые поршни применяют обычно в безкрейцкопфных
компрессорах одностороннего действия.
Дисковые поршни имеют относительно небольшую длину и
применяются в ступенях низкого давления двухстороннего действия. В
большинстве случаев дисковые поршни выполняют скользящими по всей
несущей поверхности, которую заливают баббитом. В некоторых
конструкциях несущая поверхность выполнена в виде бронзовой наплавки.
Чтобы в оппозитных компрессорах силы инерции частей, движущихся
возвратно-поступательно, были уравновешены, массы поршней в расположенных
напротив рядах должны быть одинаковы.
Дифференциальные поршни изготовляют цельными и составными. Они
представляют собой комбинацию нескольких поршней разных диаметров,
объединенных в одну деталь. Дифференциальные поршни применяются в
компрессорах с несколькими ступенями в одном ряду.
Поршневые кольца. Предназначены для уплотнения зазора между
поверхностями поршня и цилиндра, а также для отвода теплоты от поршня к
стенкам цилиндра. Работающее кольцо прижато наружной поверхностью к
поверхности цилиндра давлением сжимаемого газа и частично силами
упругости кольца или находящийся под кольцом пружины- эспандера. Боковая
поверхность кольца прижимается к поверхности канавки поршня силой трения и
давлением газа. Поршневые кольца изготовляют с прорезью (замком) и в
свободном состоянии они имеют наружный диаметр больший, чем диаметр
цилиндра Замки могут быть прямые, косые, внахлестку, герметичные. Основной
материал для колец: чугун, текстолит, композиции на основе фторопласта и
графита.
Коленчатый вал компрессора состоит из концевых цапф, коренных шеек и
колен. Каждое колено имеет две щеки и одну шатунную шейку. Через щеки и
шейки сделаны сверления для прохода смазки на поверхность шатунной шейки.
Коленчатые валы оппозитных компрессоров могут иметь от двух до десяти
колен. Коренные шейки вала опираются на коренные подшипники. Поверхность шеек термически обработана. Валы передают механическую энергию от
привода на кривошипно-щатунный механизм компрессора.
Шатуны предназначены для соединения вала с крейцкопфом или поршнем и
превращения вращательного движения в возвратно-поступательное. Шатун
состоит из стержня, кривошипной и крейцкопфной головок. В компрессорах с
кривошипным валом головка шатуна неразъёмная, а в компрессорах с
коленчатым валом разъёмная. В шатунах с разъёмной головкой обе части
головки соединяются шатунными болтами. Шатунные болты изготавливают
из углеродной или хромоникелевой стали. Поверхность болтов тщательно
обрабатывают и на части стержня болта притирают к поверхности отверстия
под болт. Это необходимо для обеспечения надёжности соединения, так как
разрыв шатунных болтов влечет за собой разрушение компрессора.
Крейцкопфы представляют собой деталь, скользящую в направляющих,
жёстко связанную со штоком и шарнирно- с шатуном. Крейцкопф передает
продольные усилия на шток, а поперечные на направляющие. Применяемые в
настоящее время крейцкопфы подразделяются на два типа - закрытые и открытые. У закрытого типа головка шатуна расположена внутри ползуна.
Крейцкопф открытого типа используют в сочетании с вильчатым шатуном.
Смазочный материал к трущимся поверхностям передаётся через направляющие,
а к подшипнику - через отверстие в корпусе и пальце. Для компрессоров
небольшой производительности крейцкопфы выполняют из чугуна цельными.
Шток передаёт усилие от крейцкопфа на поршень. Один конец штока
ввинчивается в крейцкопф, а на другом закрепляется поршень. Для
изготовления штоков используют высококачественные стали.
Для опоры валов компрессоров малой и среднее производительности служат подшипники качения. Подшипники скольжения применяют главным образом
в компрессорах большой производительности. В вертикальных компрессорах
вкладыш подшипника состоит из двух частей. В горизонтальных компрессорах
подшипники воспринимают вертикальные и горизонтальные нагрузки, поэтому их
вкладыши могут иметь и большее число частей. Коренные подшипники
оппозитных компрессоров выполняют с вкладышами из двух частей с
горизонтальным разъёмом.
Сальники предназначены для герметизации зазора в том месте, где через
корпус проходит шток. Широкое применение в поршневых компрессорах
получили сальники с твёрдой набивкой, которые вьшолняются с плоскими или
коническими (разрезными или неразрезными) металлическими кольцами. В
большинстве их конструкций основное усилие, необходимое для работы уплотнения, создаётся за счёт давления сжимаемого газа. Характерной особенностью
самоуплотняющихся сальников с разрезными кольцами является то, что их
можно использовать при значительном износе и прогибе штока. В качестве
материала для уплотняющих элементов применяют чугун, бронзу, баббит, а в
последнее время всё шире используют пластмассы (фторопласт и др.), резину и
металлокерамику. Сальники, работающие без смазывания, изготовляют из
материалов на основе графита и фторопласта. В компрессорах сжимающих
токсичные и взрывоопасные газы, сальники промывают маслом или
продувают инертным газом или воздухом. Это повышает герметичность
сальника, способствует охлаждению его и штока.
6. Регулирование и обслуживание поршневых компрессоров
Регулирование компрессоров производится для изменения их
производительности в соответствии с потреблением (расходом) сжатого газа
при постоянном давлении сжатия.
Регулирование при переменном числе оборотов легко осуществимо
только и компрессорах с паровым приводом и производится путем изменения
числа оборотов вала паровой машины.
В компрессорах с электроприводом регулирование производится при
постоянном числе оборотов различными способами.
Регулирование пропусками при всасывании осуществляют путем автоматического открытия всасывающих клапанов во время хода нагнетания,
если давление газа в газосборнике чрезмерно увеличивается. При этом газ не
сжимается, а выталкивается обратно во всасывающую трубу, и компрессор
работает с пропуском подачи. Регулятор давления выключает приспособление, отжимающее клапан, когда давление в газосборнике снижается до
заданной величины.
Регулирование изменением величины вредного пространства осуществляют путем разделения пустотелой крышки цилиндра на отсеки, каждый
из которых соединяется с цилиндром через особый клапан. Клапаны открываются последовательно, вручную или автоматически с помощью регулятора
давления. При этом объем вредного пространства увеличивается, а производительность снижается. Такой способ регулирования проще предыдущего
при большом числе всасывающих клапанов.
Регулирование дросселированием возможно в одноступенчатых
компрессорах путем установки клапана на всасывающей трубе. При
чрезмерном давлении газа в газосборнике клапан опускается и перекрывает
всасывающую трубу. Такой способ регулирования связан с увеличением
степени сжатия газа и, следовательно, с увеличением расхода энергии. Он
наименее экономичен, так как сопряжен с потерей энергии на сжатие
перепускаемого газа.
При пуске компрессора подают смазку на трущиеся части, открывают
запорный вентиль на нагнетательном трубопроводе и подают охлаждающую
воду в рубашку компрессора, после чего включают двигатель.
При остановке машины все операции проводят в обратном порядке:
останавливают двигатель, прекращают подачу охлаждающей воды и смазки,
после чего закрывают вентиль на нагнетательном трубопроводе.