ВИНТОВОЙ ВОЗДУШНЫЙ КОМПРЕССОР И ЕГО ПРИНЦИП РАБОТЫ

КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ВИНТОВОГО КОМПРЕССОРА

В этой статье я расскажу о некоторых ключевых моментах про винтовые компрессоры.

Также отвечу на следующие вопросы:

- Винтовой компрессор - что это за механизм?

- Какова конструкция (или устройство) винтового компрессора?

- В чем заключается принцип работы винтового компрессора?

Винтовой компрессор - что это за "Зверь"?

Винтовые компрессоры относятся к классу объемных компрессоров. Т.е. сжатие воздуха или другого газа происходит за счет изменения объема. К такому типу компрессоров относятся также поршневые, мембранные компрессоры, воздуходувки и т.д.

Если говорить простыми словами, то винтовой компрессор - это устройство, которое преобразует электроэнергию через электродвигатель в энергию воздуха/газа.

Сжатый воздух/газ является одним из наиболее распространенных носителей энергии. С помощью сжатого воздуха/газа приводятся в действие различные клапана, пневмо-цилиндры и другие исполнительные механизмы.

Когда изобрели винтовой компрессор?

Патент на изобретение винтового компрессора был выдан в 1934 году шведскому инженеру Элиоту Лисхольму. С тех пор конструкция компрессора неоднократно менялась и совершенствовалась с целью улучшения его характеристик. Но сам принцип действия остался неизменным.

Схема винтового маслозаполненного компрессора.

Схематично устройство винтового маслозаполненного компрессора показано на рисунке ниже.

Синим цветом обозначено направление потока воздуха внутри компрессора.

Желтым цветом обозначен поток масла внутри компрессора.

Цифрами на рисунке обозначены основные составные части винтового компрессора:

1 – воздушный фильтр 10 - сливной кран

2 – всасывающий клапан 11 - масляный фильтр

3 – винтовой блок 12 - термостат

4 – приводная муфта 13 - масляный радиатор

5 – электродвигатель 14 - воздушный радиатор

6 – клапан минимального давления 15 - вентилятор

7 – сепаратор 16 - датчик температуры

8 – разгрузочный клапан 17 - датчик давления

9 – масляный резервуар 18 - запорный кран

При описании принципа работы винтового компрессора принято разделять понятия «воздушный поток» и «масляный контур».

Рассмотрим их подробнее.

Воздушный поток.

При работе компрессора атмосферный воздух через фильтр 1 и всасывающий клапан 2 попадает в винтовой блок 3, в котором происходит сжатие воздуха вращающимися роторами (винтами).

Винтовой блок является «сердцем» компрессора. От качества его изготовления зависит надежность и долговечность всего компрессора.

Как правило, моторесурс винтового блока до капитального ремонта составляет 36 000 - 40 000 моточасов. Капитальный ремонт заключается в замене подшипников, уплотнений вала и выставлении зазоров внутри винтового блока.

В нашей практике встречались винтовые компрессоры, которые работали более 70 000 моточасов без капитального ремонта. Но это, скорее всего, исключение из правил.

Принцип сжатия воздуха в винтовом блоке наглядно показан на рисунке:

Воздух попадает в полость сжатия, которая образуется двумя винтами и корпусом винтового блока. При вращении винтового блока полость "двигается" и уменьшается в объеме. Таким образом происходит сжатие воздуха или другого газа.

Вращение роторов обеспечивается приводом, состоящим из электродвигателя 5 и приводной муфты 4 (в некоторых моделях компрессоров вместо муфты применяется ременная передача или шестеренчатый привод).

Наличие всасывающего клапана 2 отличает винтовые компрессоры от поршневых. Он позволяет компрессору при вращении роторов находиться в двух рабочих режимах – «нагрузка» (клапан открыт, сжатый воздух подается потребителю) и «холостой ход» (клапан закрыт, подача сжатого воздуха потребителю отсутствует).

Режим холостого хода играет значительную роль в повышении надежности винтовых компрессоров. Он позволяет сократить количество пусков электродвигателя. Частые пуски двигателя являются «стрессовыми» как для самого двигателя, так и для системы энергоснабжения предприятия.

Как правило, всасывающий клапан устанавливается непосредственно на горловине винтового блока:

Смесь сжатого воздуха и компрессорного масла попадает в масляный резервуар 9, в котором происходит первичное отделение сжатого воздуха от масла.

Роль масла очень важна для работы винтового компрессора. Оно отводит тепло, образующееся при сжатии воздуха в винтовом блоке. Кроме того, масло образует пленку вокруг вращающихся винтов, уплотняя «рабочие камеры». Также масло предотвращает соприкосновение винтов и их механический износ.

Остатки масла удаляются из сжатого воздуха в сепараторе 7. В зависимости от производительности компрессора, сепаратор может быть смонтирован отдельно от масляного резервуара 9, или находиться внутри него:

Далее сжатый воздух через клапан минимального давления 6 попадает в воздушный радиатор 14, в котором происходит его охлаждение потоком воздуха, создаваемым вращающимся вентилятором 15.

Производительность вентилятора рассчитывается таким образом, чтобы температура сжатого воздуха на выходе компрессора не превышала температуру окружающей среды более чем на 10 °С.

Фотография вентилятора и радиатора в верхней части компрессора.

Следует отметить, что в применяются винтовые компрессоры с воздушным или водяным охлаждением. Отдельно о плюсах и минусах типа охлаждения я расскажу в отдельной статье в разделе "Полезные советы".

На фотографии ниже изображена система воздушного охлаждения:

Клапан минимального давления 6 представляет собой так называемый невозвратный (или обратный) клапан, снабженный пружиной строго определенной жесткости. Он играет двойную роль:

- не позволяет сжатому воздуху из пневмосети предприятия проникнуть в обратно в компрессор, когда он остановлен;

- благодаря наличию пружины, давление в масляном резервуаре 9 при работе компрессора на «пустую» пневмосеть поддерживается на необходимом для нормальной циркуляции масла уровне – около 4,5 бар.

Потребителю сжатый воздух подается через запорный кран 18.

Масляный контур.

Масло, отделенное от сжатого воздуха в масляном резервуаре 9, находится под давлением. Клапан минимального давления 6 поддерживает это давление на уровне около 4.5 бар при работе в режиме «нагрузка».

В зависимости от температуры масло может циркулировать либо только по «малому» контуру (масляный резервуар 9 ? термостат 12 ? масляный фильтр 11 ? винтовой блок 3), либо по «большому» контуру (масляный резервуар 9 ? термостат 12 ? масляный радиатор 13 ? масляный фильтр 11 ? винтовой блок 3), либо по обоим контурам одновременно.

Переключение потоков осуществляется термостатом 12. Наличие двух масляных контуров обеспечивает быстрый выход компрессора на рабочий температурный режим после запуска и поддержание этого режима при дальнейшей работе.

В современных винтовых компрессорах термостат, как правило, вмонтирован в винтовой блок. Это позволяет избежать применения дополнительных трубопроводов:

Температурный режим очень важен для нормальной работы винтового компрессора.

Слишком низкая температура приведет к выпадению конденсата из сжатого воздуха и смешиванию его с маслом. Это отрицательно скажется на сроке службы винтового блока.

Высокая же температура значительно снижает срок службы самого масла. Потребуется более частая его замена, т.е. дополнительные финансовые расходы.

Оптимальной можно считать температуру масла в пределах 75 – 85 °С.

Система управления.

Показанные на схеме разгрузочный клапан 8, датчик температуры 16 и датчик давления 17 относятся к системе управления работой компрессора.

Датчик температуры 16 выполняет защитную функцию. По его сигналу происходит аварийное отключение компрессора при перегреве масла.

По сигналу датчика давления 17 происходит переключение режимов работы компрессора («нагрузка» – «холостой ход»). Таким образом, давление в пневмосети потребителя поддерживается в установленных пределах.

Разгрузочный клапан 8 служит для сброса давления из масляного резервуара после остановки компрессора. Благодаря этому облегчается последующий запуск компрессора, так как отсутствует «противодавление» (дополнительная нагрузка на вал электродвигателя).

Сама же система управления работой компрессора может быть реализована различными способами – от простейшей электромеханической до сложной, на базе специализированного контроллера с текстовым или графическим интерфейсом:

В заключение отметим, что из этого достаточно поверхностного описания принципа работы винтовых компрессоров можно выделить их основные преимущества, позволившие винтовым компрессорам практически повсеместно вытеснить поршневые в сегменте низких (до 15 бар) рабочих давлений:

- низкий уровень шума и практически полное отсутствие вибраций;

- непрерывная, без пульсаций, подача сжатого воздуха;

- возможность длительной непрерывной работы (наличие режима «холостой ход» позволяет значительно сократить количество пусков электродвигателя, сопряженных с «бросками» тока и напряжения в электросети предприятия);

- эффективная система маслоотделения, обеспечивающая высокое качество сжатого воздуха;

- высокий КПД;

- простота обслуживания.