ПЕРЕДМОВА. Стиснення повітря відоме більше 3500 років

Стиснення повітря відоме більше 3500 років. Вже тоді стисле повітря використовувалося при виплавці металів. Підвищення тиску повітря здійснювалося повітрянодувним мехом.

Стародавні греки використовували стисле повітря для багатьох цілей. Так, грецький філософ Платон (429-347 рр до н.е.) побудував повітряний компресор, який подавав повітря в свисток, що сповіщав про початок і кінець занять в його школі. Є відомості про те, що римляни використовували в 369 г до н.е. меха зі всмоктуючими клапанами.

Ветрувій (близько 24 р. до н.е.) описав газодувку з циліндровим мехом, сальником, штоком і клапанами на всмоктуванні і нагнітанні.

У середні століття стисле повітря використовувалося в металургії.

У 1492 р. Леонардо да Вінчі запропонував власну конструкцію газодувки. Їм же була запропонована ідея про груповий клапан і розроблена конструкція прямоточного клапана для компресора.

Надалі стисле повітря стали використовувати як безпечний і зручний енергоносій для передачі енергії на відстань. Про це вперше в 1695 р. згадує Денис Папін.

Розвиток металургії в XVIII столітті послужив поштовхом до розвитку компресорних машин. У 1757 р. в Англії було запатентоване залізний мех. У 1762 р. Джоном Сміатоном був одержаний патент на компресор з циліндром. Декілька пізніше англієць Ісаак Вількинсон побудував компресор з приводом від водяного колеса. Компресор мав два циліндри діаметром 1575 мм. Це був найраніший прототип сучасних поршневих компресорів, використаний в промисловості.

Потім з'явилися компресори з приводом від парової машини. У 1770-х роках такий компресор був побудований російським умільцем Ползуновим. Приблизно в той же час Джеймс Уатт побудував компресор з діаметром поршня 914 мм.

У 1828 р. англієць Вільям Манн запатентував дву4хступенчатый компресор, а в 1830 р. француз Тілальер одержав нагороду Французької академії наук за конструкцію багатоступінчатого компресора. Цікаво відзначити, що ці компресори не мали міжступінчастого охолоджування.

Охолоджування між ступенями вперше було запропоноване в 1849 р. бароном фон Ратеном, який розробив багатоступінчатий компресор для стиснення повітря до 5 МПа.

У 1849 р. Гербігером був винайдений пластинчастий клапан.

1. Деякі відомості з історії розвітку компресорніх машин.

У середині XIX століття почалося широке застосування стислого повітря як енергоносій для багатьох цілей. У 1850 р. на Гаванських кам'яновугільних копальнях була побудована шахтна підйомна машина, що працює на стислому повітрі. Компресор складався з двох циліндрів простої дії. Тиск стислого газу на ті часи був високим – 0, 17 ….0, 2 МПа. Як клапани використовувалися латунні кулі діаметром 50 мм. Для охолоджування стислого повітря в циліндр уприсувалася вода.

Поворотним пунктом у використовуванні стислого повітря як енергоносія для приводу пневмоінструментів і пневмообладнання з'явився 1861 р., коли французький інженер Соммейлер запропонував при будівництві тунеля Мон Сні використовувати пневматичні дрилі. Будівництво цього тунеля завдовжки 13, 6 км було почате в 1857 р. і було розраховано при використовуванні звичних для того часу методів проходки на 30 років. Застосування пневматичних дрилів, що працюють від стислого до 0, 6 МПа повітря, дозволило різко (у 3 рази) скоротити терміни проходки тунеля. Для проходки тунеля Мон Сні були побудовані два компресори різної конструкції, Обидва компресори мали так зване вологе стиснення. Охолоджування повітря, що стискається, відбувалося за рахунок безпосереднього контакту з водою, оскільки стиснення здійснювалося водяним поршнем. Кожен компресор мав основний гідравлічний циліндр подвійної дії з поршнем, що приводиться в поворотно-поступальну ходу крівошипно-шатунним механізмом. Цей циліндр був сполучений з двома вертикальними циліндрами, які були забезпечені клапанами і в яких власне і відбувалося стиснення повітря. Поршень переміщав воду то в один, то в інший вертикальний циліндр.

Для підтримки температури води на певному рівні в циліндр при кожному ходу поршня подавалася нова порція води. Надлишок води виштовхувався через нагнітальні клапани разом з повітрям в бак нагнітання, з якого вода зливалася.

Успіх застосування пневматичних дрилів при будівництві тунеля Мон Сні привів до широкого їх розповсюдження в шахтах і копальнях оскільки продуктивність робіт при цьому збільшилася у декілька разів.

З сказаного видно що в початковий етап розвитку поршневих компресорів застосовувалося вологе стиснення повітря: або стисненням водяним поршнем, або стиснення з уприскуванням води в циліндр. Після 1870-1885 рр. замість вологого стиснення стали застосовувати сухе стиснення (без присутності води).

В кінці XIX в. Почався бурхливий розвиток пневматичних інструментів. У 1899 р. в Петербурзі був побудований перший в Європі спеціалізований завод пневматичних інструментів.

Технічна революція XIX в. привела до використовування стислого повітря і в інших галузях промисловості. Так, винахід торпед з пневмопріводом послужив поштовхом до появи повітряних компресорів високого тиску. У 1877 р. з'явилися багатоступінчаті компресори, що стискають повітря до 4 МПа і призначені для заправки торпед. З'явилася пневмопошта, пневмодвігуни, пневмочаси і т.д. Про розвиток компресорів у той час свідчить наступний факт: у Парижі в 1888 г інженером Віктором Попом була пущена компресорна станція, що складається з 14 компресорів загальною потужністю 1500 кВт, а до 1891 г.ее потужність збільшилася до 18000 кВт. Станція призначалася для централізованого постачання пневмообладнання стислим повітрям з тиском 0, 6 МПа великі числа споживачів: пневмочасів, пневматичних пасажирських ліфтів, пневмопошти, пневмотранспорта, пневмодвігунів потужністю до 70 кВт різного призначення, зокрема для приводу електрогенераторів для освітлення театрів, лікарень, ресторанів, магазинів, для розливу вина і пива i т.д.

Подальший розвиток компресорів пов'язаний з прогресом багатьох галузей промисловості і перш за все хімії. Хімічна промисловість вимагала компресори різних продуктивностей для стиснення реальних газів, зокрема агресивних і вибухонебезпечних. З'явилася необхідність в компресорах, що не забруднюють газ маслом. Стали необхідні компресори великої продуктивності і високого тиску.

Використовування пневмоінструмента і пневмообладнання в будівельних, ремонтних і дорожніх роботах зажадало створення пересувних компресорних установок, які почали вироблятися на початку XX в. Так пересувний компресор з приводом від двигуна внутрішнього згорання був виготовлений в 1907 г шведською фірмою «Атлас» (нині «Атлас Копкий»)

У царській Росії компресори не виготовлялися. У Москві на заводах Густава Листу проводився ремонт поршневих компресорів зарубіжного виробництва.

У СРСР виробництво компресорів почалося в 1920-х роках. Піонерами радянського компресоробудування вважаються Московський завод «Борець» (колишній «Густав Лист») і Сумський машинобудівний завод ним. М.І.Фрунзе. Перші радянські відцентрові компресори були розроблені і виготовлені на Київському заводі «Більшовик».

2. Вивчення принципу дії і конструктивного виконання гвінтового компресора.

Серед об'ємних роторних компресорів найбільш поширені гвинтові машини.

Зрозуміти принцип дії гвинтового компресора непросто. Розглянемо циліндр (ри.1), на якому кульовою фрезою вирізана гвинтова канавка. Помістимо в таку канавку кулю, яка може переміщатися тільки уздовж осі створюючої циліндра. При обертанні циліндра навколо своєї осі куля переміщатиметься, як показано на рис.1.

рис.1

Куля контактуватиме з поверхнею канавки по лінії, ділячи об'єм канавки на дві частини, ізольовані один від одного самою кулею. При обертанні циліндра об'єм канавки зліва від кулі збільшується, а праворуч від нього зменшується. При збільшенні об'єму зліва від кулі в порожнину канавки може через торець канавки входити (всмоктуватися) газ. В той же час в порожнині праворуч від кулі може відбуватися процес стиснення газу і виштовхування стислого газу через торець канавки, коли відкритий правий торець канавки поєднається з вікном нагнітання в кришці торця. Куля, дійшовши до правого кінця канавки і витіснивши газ з неї, повинна бути перекинутий потім миттєво в лівий кінець канавки..

Рис.2

При цьому він відділить порожнину канавки від всмоктування

У гвинтовому компресорі замість кулі використовується гвинтовий зуб, виконаний на іншому роторі-циліндрі (рис.

При обертанні роторів назустріч один одному тіло гвинтового зуба послідовно входить в западину – канавку основного ротора, виконуючи роль кулі. Крім того, гвинтовий компресор має на основному роторі не одну канавку, а декілька (звичайно їх роблять шість). Найчастіше другий ротор має чотири гвинтові зуби. Простий профіль зубів – круговий (рис.3) має аналогію з пристроєм, який нами був розглянутий раніше (див. рис.1)

рис.3

Вхід газу в робочу порожнину і вихід його здійснюються через отвори спеціальної форми, виконані на кришках торців корпусу. Вхід газу в робочу порожнину і вихід його з камери стиснення можливі в тому випадку, якщо відкриті торці робочій порожнині сполучаються з вікнами в кришках торців відповідно з боку всмоктування або з боку нагнітання.

Послідовні фази роботи гвинтового компресора показані на рис.4, а загальний пристрій цих машин – на рис.5.

рис.4

рис.5

У сучасних гвинтових компресорах рідко застосовують симетричний круговий профіль. Більш ефективні асиметричні профілі (рис.6). Поверхні зубів і западин в цьому випадку мають складнішу форму; контакт між поверхнею гвинтового зуба і западини також повинен здійснюватися по лінії, яка розділяє порожнини, що знаходяться до і після зуба.

Рис.6

Гвинтові компресори в даний час одержали широке застосування. Їх продуктивність досягає 1000 м3/мин. Максимальний тиск нагнітання – до 4, 0 МПа (при стисненні в чотирьох ступенях).

Опанувавши принцип дії гвінтового компресора студенті вивчають конструктивні особливості важливіших деталей гвінтових компресорів різних типорозмірів.

3. Вивчення принципу дії і конструктивного виконання трохоїдного та трьохроторного компресорів.

Трохоїдні компресори часто називають роторно-поршневими. У основу їх пристрою встановлені властивості трохоїд і їх огинаючих. Роторний трохоїдний компресор (рис.7) складається з ротора (охоплюваної деталі) і корпусу (охоплюючої деталі з кришками торців).

рис.7

Профілізація робочих поверхонь цих деталей здійснюється таким чином, що теоретичний профіль однієї з них (назвемо його початковим) виконується по якій-небудь трохоїде: епітрохоїде або

гипотрохоїде, тоді як інша деталь має профіль, зв'язаний з початковим і виконаний по огинаючій сімейства цих трохоїд. Якщо профіль ротора виконаний по трохоїде, то профіль розточування корпусу повинен бути бути виготовлений по огинаючій і навпаки. Такі поєднання дозволяють одержати робочі камери ізольовані відповідними вершинами огинаючої (рис.7 і рис.8).

рис.8

Необхідна періодична зміна об'єму робочих камер забезпечується рівномірним планетарним обертанням ротора усередині нерухомого корпусу плі обертанням як корпусу, так і ротора навколо своїх нерухомих зсунутих одна щодо іншої осей (біротативний компресор).

Принцип дії трохоїдного компресора з трьохвершинним ротором показаний на рис.7 (а-з – фази зміни робочого об'єму). Є схеми роторних компресорів з четирьох-, п`яти- і більш вершинними роторами. Через велику складність конструкції трохоїдні компресори не набули широкого поширення і застосовуються тільки в спеціальних цілях.

Принцип роботи і загальний пристрій трьохроторного черв'ячного компресора показані на рис.9 (а-б-в – фази робочого процесу, г- напрям потоку).

рис.9

Компресор складається з циліндрового основного ротора з гвинтовими пазами змінної глибини і двох роторів крильчаток, розташованих з протилежних сторін основного ротора і виконуючих роль витіснювачів. Основний ротор приводиться в обертання двигуном і передає обертання роторам-крильчаткам.

При обертанні основного ротора за годинниковою стрілкою об'їм порожнини западин черв'яка між правим і лівим торцем і лопаттю верхньої крильчатки збільшується, відбувається процес всмоктування в цю порожнину через правий торець ротора, у внутрішню порожнину якого відкриті западини черв'яка. При подальшому обертанні роторів лопать нижнього ротора-крильчатки увійде до западини черв'яка і відділить її порожнину від всмоктування. Далі обертання роторів супроводжується зменшенням об'єму западини черв'яка, обтічного лопаттю. Відбувається стиснення газу. Після стиснення газу порожнина сполучається з нагнітальним отвором в кришці компресора (на малюнку вона не показана) і газ виштовхується лопаттю крильчатки на сторону нагнітання. З нижньої сторони черв'яка відбувається аналогічний робочий процес. Роль витіснювача в цьому випадку грає друга крильчатка.

Черв'ячні компресори поки не знайшли широкого застосування.

Після розгляду принципу дії трохоїдного та трьох роторного компресорів студенті знайомляться з конструктівнім віконанням цих компресорів.

4. Вивчення принципу дії і конструктивного виконання спірального компресора.

Рис.10

Рис.11

У жовтні 1905 р. Leon Creux одержав в США перший патент на спіральний компресор. Проте про промислово придатний спіральний компресор вперше було оголошено фірмою Arthur D.Little, Inc. на конференції в Пардью університеті (США) тільки в 1976. Першим спіральним компресором прийнято рахувати компресор, встановлений в повітряному кондиціонері японської фірми Hitachi Ltd.

рис.12

Спіральний компресор має дві спіралі: одну нерухому (рис.10) і другу – рухому, має орбітальне обертання, при якому осі X і У цієї рухомої спіралі завжди залишаються паралельними тим же осям нерухомої спіралі. В цьому випадку рухома спіраль обкачуються по нерухомій. Між спіралями утворюються камери. На рис.11 показані послідовні фази руху рухомої спіралі при орбітальних кутах 0, π /2, π, і 3р/2. Як видно з рис.11, об'єм камер, утворених спіралями, що обкачуються, зменшується. Цей ефект і використовується для стиснення і нагнітання (виштовхування) газів. Всмоктування газу в спіральний компресор відбувається з периферії. Процес всмоктування закінчується, коли спіралі знаходяться в положенні, показаному на рис.11- а, тобто коли робоча (на малюнку затемнена) порожнина відділяється від порожнини всмоктування.

Нагнітання здійснюється через канал, виконаний в центральній частині диска з нерухомою спіраллю.

рис.13

Орбітальний рух рухомої спіралі забезпечується спеціальними механізмами. Найвідоміший такий механізм – муфта Олдгейма, принцип дії якої пояснений на рис.12. Муфта складається з проміжного рухомого 2 і основного рухомого 1 дисків і орбітально рухомого диска 3 із закріпленою на ньому спіраллю 3 з.

На проміжному рухомому диску 2 є чотири попарно перпендикулярних один одному виступу: 2 а з одного боку і 2 в з іншою. На диску 1 є два пази 1 а, в які входять виступи 2 а рухомого диска. Інші два виступи 2 в рухомого диска 2 входять в пази 3 в орбітально рухомого диска 3 на якому закріплена (або виконана за одне ціле) рухома спіраль 3 з. При обертанні диска 1, який закріплений на валу компресора, рухома спіраль скоюватиме лише орбітальний рух, оскільки її обертанню навколо свого центру перешкоджатиме пересувний диск 2 муфти, який може тільки ковзати своїми виступами 2 а уздовж пазів 1 а, виконаних в нерухомому диску 1.

Конструкційна схема спірального компресора показана на рис.13 (1 – всмоктуючий патрубок, 2 – нагнітальний патрубок, 3 – нерухома спіраль, 4 – рухома спіраль, 5 – корпус компресора, 6 – проміжний рухомий диск муфти Ольдгейма, 7 – ексцентриковий вал).

В даний час спіральні компресори випускаються не тільки для холодильних машин, але і для стиснення повітря (фірма “Атлас Копкий»).