Устройство, классификация

Принцип действия поршневых компрессоров и насосов в основном одинаков: при возвратно – поступательном движении поршней или плунжеров происходит циклическое наполнение рабочих камер и выталкивание из них порций перекачиваемой среды. Однако характер рабочего процесса в компрессоре существенно иной, нежели в насосе. По устройству эти машины также значительно различаются. По системам охлаждения цилиндров и их смазки поршневые компрессоры родственны поршневым ДВС. Некоторые детали этих машин аналогичны.

Процесс повышения давления газа, как и в динамических компрессорах, может осуществляться последовательно в нескольких камерах многоступенчатого компрессора, прерываясь для промежуточного охлаждения.

По способу передачи движения рабочим органам поршневые компрессоры подразделяются на две группы: с механизмом дви­жения (преимущественно кривошипно-шатунным) и свободно-порш­невые. В свою очередь компрессоры первой группы можно разде­лить на обособленные и моноблочные.

Обособленный компрессор предназначен для привода от дви­гателя любого типа, соединенного непосредственно или через трансмиссию. Моноблочный компрессор с электрическим приво­дом отличается от обособленного тем, что ротор электродвига­теля служит маховиком компрессора. Для этой цели предназна­чены двигатели, в которых статор и ротор меняются местами: наиболее массивная кольцевая часть электродвигателя служит ротором, а центральная - статором. В целях удешевления производства компрессоров их выпу­скают с унифицированными базами, представляющими собой совокупность нормализованных механизмов движения, систем его смазки, а для моноблочных машин - также и привода. Моди­фикации компрессоров с одной базой, рассчитанные на различ­ные давления и объемные расходы газа на входе, имеющие оди­наковую мощность и длину хода поршней, различаются разме­рами цилиндров и числом ступеней сжатия. Унификация выгодна и для эксплуатации машин, так как упрощаются их обслуживание и ремонт. Кроме того, можно модифицировать компрессор в про­цессе эксплуатации. Такая необходимость возникает, например, когда падает давление газа на приеме компрессорной станции га­зового промысла и в связи с увеличением необходимой е прихо­дится снижать объем всасываемого газа.

На рис. 14.1 приведен двухступенчатый компрессор завода «Борец» с унифицированной базой, которая состоит из станины, коленчатого вала с коренными подшипниками, шатунов, крейц­копфов, промежуточного холодильника, а также системы смазки и некоторых других частей машины. Цилиндр первой ступени большего диаметра расположен вертикально, а цилиндр второй ступени - горизонтально, причем нагнетательная линия направ­лена вниз, а не вверх, как в поршневых насосах, что необходимо здесь для удаления из цилиндра возможного конденсата. Ци­линдры и крышки цилиндров имеют полости для циркуляции в них охлаждающей воды. Уплотнения поршневых штоков выполнены съёмными.

Рис. 14.1. Поршневой компрессор:
1 – станина; 2 – коленчатый вал; 3 – противовесы коленчатого вала; 4 – шатун;

5 – крейцкопф; 6 – направляющие крейцкопфа; 7 – цилиндр первой ступени;

8 – цилиндр второй ступени; 9 – поршень первой ступени; 10 – поршень

второй ступени; 11 – клапан всасывающий; 12 – клапан нагнетательный;

13 – сальник; 14 – промежуточный холодильник; 15 – дополнительная полость;

16 – присоединительный клапан; 17 – маховик

В поршневых компрессорах используют различные средства регулирования объемного расхода газа на входе (см. гл. Применение компрессоров). Одно из этих средств - искусственное увеличение «мёртвого» пространства в цилиндре. На рис. 14.1 видно, что в крышке цилиндра первой ступени устроена дополнительная полость, присоединя­емая к основной с помощью клапана пневматического действия.

Смазка цилиндров минеральным маслом часто нежелательна или недо­пустима по различным причинам, в частности, если масло загрязняет перекачиваемый газ или вступает с ним в реакцию (кислород, хлор и др.), или если газ растворяется в масле и ухудшает его свойства, либо выделяет конденсат, смывающий масло со стенок цилиндра. При высо­ких температурах компрессорное масло разлагается и вызывает опасность взрыва (см. гл. 16 Ступенчатое сжатие газа в поршневом компрессоре).

Поэтому созданы компрессоры, не нуждающиеся в смазке цилин­дров и сальников. Имеются три разновидности таких машин: с уплотняющими элементами поршня и сальников, не нужда­ющимися в смазке; с лабиринтным уплотнением; мембранные компрессоры.

Рис.14.2. Схема мембранного компрессора:

1 – мембрана; 2 – крышка; 3 – опорная плита;

S – длина хода поршня

В мембранном компрессоре рабочая камера разделена мембраной, зажатой по контуру между крышкой и опорной плитой (рис. 14.2). Клапаны расположены в крышке. Объемный расход газа на входе у таких компрессоров небольшой (менее 2 м³/мин), но степень повышения давления в одной ступени очень высокая (ε до 25). Поэтому их обычно используют в качестве дожимных после предварительного сжатия газа компрессорами других видов.

Компрессоры с кривошипно-шатунным механизмом, обособленные от двигателя, различаются по типам. Тип определяется рас­положением осей цилиндров в пространстве - вертикальным, горизонтальным, угловым. К угловому типу относят машины с вер­тикально-горизонтальным (прямоугольный тип П) и с наклонным расположением цилиндров (V-образные, веерообразные).

Каждый тип компрессоров имеет свои достоинства. Гори­зонтальный компрессор удобен для обслуживания и скрытого размещения аппаратуры и трубопроводов под машиной; демонтаж коренного вала и шатуна проводится легче, чем в ком­прессорах других типов. Эти преимущества особенно важны для крупных ¹ стационарных компрессоров. Угловой тип - наи­лучший для компрессоров небольших размеров, в том числе пред­назначенных для передвижных компрессорных установок. Колен­чатый вал таких компрессоров может быть уложен на подшипни­ках качения. При наклонном расположении цилиндров угловой компрессор компактен и удобен для монтажа. Основное преиму­щество вертикальных компрессоров - равномерный из­нос цилиндров и поршней вследствие меньшего давления поршней на стенки цилиндров благодаря равномерному распределению смазки и оседанию твердых частиц на торце поршня. Это преиму­щество особенно выявляется в компрессорах без смазки или с не­полной смазкой цилиндров.

Компрессоры одного типа различаются числом рядов цилиндров (равным числу шатунов), расположением цилиндров и ступеней, конструкцией кривошипно-шатунного механизма, который может быть крейцкопфным или бескрейцкопфным. Это - признаки схемы компрессора, которая предопределяет конструк­цию машины, ее массу, габариты и стоимость, а также экономич­ность в эксплуатации, надежность, удобство обслуживания и ремонта.

Различие требований, предъявляемых к компрессорам в зави­симости от их назначения, отражено в разнообразии применяемых схем. Некоторые из них показаны на рис. 14.3. Уравнительная полость в отличие от рабочих камер не имеет клапанов и нахо­дится под действием постоянного давления газа для уменьшения усилия в поршневом штоке.

Бескрейцкопфные компрессоры (а - д)просты по конструкции и компактны, вследствие чего их применяют в передвижных установках. В крупных компрессорах сказываются недостатки этой схемы: пониженный механический к. п. д., большие утечки газа через поршневые кольца, повышенный унос масла из картера и насыщение им сжимаемого газа, неэффективное использование объема цилиндра (поршни одностороннего действия). Указанные недостатки устранены в схеме с крейцкопфом (е - к).

В схеме и со встречным движением поршней (оппозитный ком­прессор) колена вала каждой пары противолежащих рядов ком­прессора взаимно смещены на 180°.

Здесь полностью уравнове­шены силы инерции поступательно движущихся масс, силы давле­ния газа на поршни противоположны по направлению, вслед­ствие чего коренные подшипники оказываются разгруженными. Тем самым уменьшается работа сил трения, а, следовательно, и износ подшипников и коренных шеек вала.

_______________________

¹ Объёмные компрессоры принято различать по объёмному расходу газа на входе: малые (до 10 м³ / мин); средние (10 – 100 м³ / мин), крупные (свыше 100 м³ / мин).

Поскольку оппозитные компрессоры хорошо динамически уравновешены, частота вращения вала их более высокая. Это позволяет снизить массу (на.50 - 60% на единицу объемного расхода ) и габариты (по сравнению с неоппозитными горизонтальными компрессорами). /////На рис. 14.3, к изображена схема так называемого дифферен­циального блока поршней, применяемого в многоступенчатых компрессорах. Он удобен тем, что позволяет уменьшить число сальников и длину ряда цилиндров. Камеру с высоким давлением для снижения утечек газа через уплотнение поршня меньшего диаметра обычно располагают в торце блока.

Рис. 14.3. Схемы поршневых компрессоров:

I, II, III, IV, V – ступени сжатия; Ур – уравнительная полость

Для перекачивания попутных нефтяных и природных газов широко применяют моноблочные компрессоры с газовым ДВС - газомотокомпрессоры. Унифицированной базой компрессора здесь служит многоцилиндровый газовый двигатель с несколькими механизмами передачи движения к поршням компрессора (компрес­сорными отводами).

Свободно-поршневой компрессор - агре­гат, в котором мощность от цилиндра двигателя к цилиндрам компрессора передается без промежуточного механизма, благо­даря чему компрессорная установка становится компактной, а к. п. д. увеличи­вается.

Принцип действия компрессора можно изучить по схеме одноступенчатого дизель – компрессора (СПДК) (рис. 14.4). Давление газов, расширяющихся в цилиндре 1 двухтактного дизеля, сообщает движение двум противоположно расположенным поршням 2, синхронно перемещающимся к внешним мёртвым точкам (крайним положениям механизма). По мере сжатия газа в цилиндрах компрессора противодействие поршням возрастает. При некотором их положении силы давления сжатого газа превышают движущие силы дизеля, уменьшающиеся по ходу поршней. Поршни останавливаются, а затем под давлением газа, оставшегося в «мёртвых» пространствах 3 цилиндров компрессора, происходит возврат поршней к внутренним мёртвым точкам. Каждая из полостей 4 цилиндра служит продувочным насосом дизеля. Для синхронизации движения поршней дизель – компрессор снабжён особыми механизмами, размещёнными по бокам дизеля. Компрессор запускается сжатым воздухом. Свободно – поршневой компрессор хорошо уравновешен, благодаря чему не нуждается в фундаменте, - качество, особенно ценное для портативных установок, применяемых в северных районах, а также на морских месторождениях нефти и газа.

Рис. 14.4. Свободно – поршневой дизель – компрессор (СПДК)