Кіріспе
Ротациялық бұрандалы компрессор – ротациялық типті оң ығысу механизмін пайдаланатын газ компрессорларының бір түрі, мысалы, ауа компрессорлары. Бұл компрессорлар өнеркәсіптік қолданбаларда кеңінен қолданылады және үлкен көлемде қысылған газ қажет болған жағдайларда, мысалы, үлкен тоңазытқыш циклдарында (суытқыштарда) немесе ауамен жұмыс істейтін құралдарды (мысалы, соққыға арналған кілттер мен джек-шокерлерді) пайдалану үшін дәстүрлі поршенді компрессорларды ығыстырады. Ротордың кіші өлшемдерінде ротордағы ішкі ағын айтарлықтай маңыздырақ болады, сондықтан бұл механизмнің кіші компрессорлар үшін поршенді компрессорларға қарағанда тиімділігі төмен. Бұрандалы компрессор бұрандалы сорғыдан ұқсас, бірақ бұранда бойындағы ұсталған материалдың қалталары біртіндеп кішірейеді, осылайша қалталардағы материал қысылады. Сондықтан бұрандалы компрессордың бұрандасы ұзындығы бойынша асимметриялық, ал бұрандалы сорғы бойымен симметриялық болып келеді. Ротациялық бұранданың газды қысу процесі үздіксіз қозғалыс болып табылады, сондықтан поршенді компрессорлардағыдай ағынның күрт өзгеруі немесе импульстар болмайды. Бұл бұрандалы компрессорлардың поршенді компрессорларға қарағанда айтарлықтай төмен шу шығаруына және тіпті үлкен өлшемдерде де аз дірілдеуіне мүмкіндік береді, сондай-ақ тиімділік тұрғысынан да бірнеше артықшылықтарды ұсынады.
A rotary screw compressor is a type of gas compressor, such as an air compressor, that uses a rotary type positive displacement mechanism. These compressors are common in industrial applications and replace more traditional piston compressors where larger volumes of compressed gas are needed, e. g. for large refrigeration cycles such as chillers, or for compressed air systems to operate air driven tools such as jackhammers and impact wrenches. For smaller rotor sizes the inherent leakage in the rotors becomes much more significant, leading to this type of mechanism being less suitable for smaller compressors than piston compressors. The screw compressor is identical to the screw pump except that the pockets of trapped material get progressively smaller along the screw, thus compressing the material held within the pockets. Thus the screw of a screw compressor is asymmetrical along its length, while a screw pump is symmetrical all the way. The gas compression process of a rotary screw is a continuous sweeping motion, so there is very little pulsation or surging of flow, as occurs with piston compressors. This also allows screw compressors to be significantly quieter and produce much less vibration than piston compressors, even at large sizes, and produces some benefits in efficiency.
Жұмыс
Ротарилік бұрандалы компрессорлар газды сығып алу үшін екі өте тығыз байланысқан спиральді роторды қолданады. Құрғақ жұмыс істейтін ротарилік компрессорда, уақыт тетіктері еркек және әйел роторлардың жанасусыз, бірақ дәл сәйкестігін қамтамасыз етеді, бұл тез тозудың алдын алады. Маймен жұмыс істейтін ротарилік компрессорда майлау майы роторлар арасындағы кеңістікті толтырып, гидравликалық тығыздықты қамтамасыз етеді және роторлар арасында механикалық энергияны жеткізеді, соның арқасында бір ротор екіншісімен толықтай қозғалады. Газ сору жағынан кіреді және бұрандалар айналғанда олардың иірімдері арқылы жылжиды. Бірімен-бірі байланысқан роторлар газды компрессор арқылы итеріп шығарады, ал газ бұрандалардың соңынан шығады. Жұмыс кеңістігі – еркек және әйел роторлар арасындағы көлем. Ол сору бөлігінде үлкен, ал роторлардың ұзындығы бойымен азайып, шығару портына жетеді. Осы көлемдегі өзгеріс – сығылу процесі. Сору заряды роторлардың соңында, еркек және әйел жамбасшалары арасындағы үлкен аралықтан тартылады. Сору бөлігінде еркек жамбасшасы әйел жамбасшасынан әлдеқайда кіші, бірақ олардың салыстырмалы өлшемдері роторлардың ұзындығы бойымен кері пропорциямен өзгереді (еркек үлкеніп, әйел кішірейеді) шығару портына жанама жақын болғанға дейін, әрбір жамбасша жұбы арасындағы бос орын айтарлықтай кішірейеді. Бұл көлемнің азаюы зарядты сығылуына себеп болады, ал содан кейін ол шығару коллекторына жіберіледі. Бұл механизмнің тиімділігі спиральді роторлардың арасындағы және роторлар мен сығылу қуыстарын жабатын камера арасындағы дәл аралыққа байланысты. Дегенмен, қандай да бір ағып кету болмайтынын болжауға болмайды, сондықтан ағып кету жылдамдығының тиімді ағымға қатынасын азайту үшін жоғары айналу жылдамдықтары қолданылуы керек. Roots үрлегіштерінен айырмашылығы, қазіргі заманғы бұрандалы компрессорлар екі ротордың әртүрлі пішіндерімен жасалады: еркек ротордың дөңес жамбасшалары әйел ротордың ойыс қуыстарымен байланысады. Әдетте, еркек роторда әйел роторға қарағанда жамбасшалардың саны аз болады, сондықтан ол жылдам айналады. Алғашқыда бұрандалы компрессорлар ротор қуысының симметриялық пішіндерімен жасалған, бірақ қазіргі үлгілер асимметриялық роторларды қолданады, ал нақты ротор дизайны патенттердің нысаны болып табылады.
Өлшемі
Ротациялық бұрандалы компрессорлардың қуаты әдетте ат күші (АҚ), минутына стандартты кубтық фут (SCFM)* және квадрат дюймге фунт (PSIG) өлшемдерімен белгіленеді. 5-30 АҚ диапазонындағы құрылғылардың физикалық көлемі әдетте екі сатылы компрессордың көлемімен салыстыруға болады. Ат күші артқан сайын, ротациялық бұрандалы компрессорлардың пайдасына айтарлықтай үнемділік пайда болады. Мысалы, 250 АҚ құрама компрессор – бұл жабдықты орнату үшін арнайы іргетас, ғимарат жағдайлары және жоғары білікті монтажшылар қажет болатын үлкен жабдық. Ал, 250 АҚ ротациялық бұрандалы компрессорды стандартты вилочный көтеруші көмегімен қарапайым цех еденіне орнатуға болады. Өнеркәсіпте 250 АҚ ротациялық компрессор әдетте ықшам жабдық саналады. Ротациялық бұрандалы компрессорлар көбінесе 5-500 АҚ диапазонында қол жетімді және 2500 SCFM-нен астам ауа ағынын өндіре алады. Бір сатылы бұрандалы компрессордың тудыратын қысымы 250 PSIG-ке дейін шектелген, ал екі сатылы бұрандалы компрессор 600 PSIG-ге дейін қысымды жеткізе алады. Ротациялық бұрандалы компрессорлар тегіс жұмыс істейді және аз дірілдейді, сондықтан арнайы іргетас немесе орнату жүйесі қажет етілмейді. Әдетте, ротациялық бұрандалы компрессорлар жоғары жиілікті дірілдерді жұтатын стандартты резеңке оқшаулағыш тіреулерді пайдаланып орнатылады. Бұл әсіресе жоғары айналу жылдамдығымен жұмыс істейтін ротациялық бұрандалы компрессорлар үшін маңызды. *Кейбір компрессорлар минутына нақты кубтық фут (ACFM) өлшемдерімен де бағалануы мүмкін. Тағы басқалары минутына кубтық фут (КФМ) өлшемдерімен бағаланады. Компрессорды бағалау үшін КФМ пайдалану дұрыс емес, себебі ол қысымға қатысты емес, ағын мөлшерін көрсетеді. Мысалы, 60 PSI-де 20 КФМ.
Тарих
Бұрандалы компрессорды алғаш рет 1878 жылы Германияда Генрих Кригар патенттеген, алайда патент жұмыс істейтін машина құрылмастан күшін жойды. Қазіргі заманғы спиральді лобты бұрандалы компрессорды Швецияда Альф Лисхолм жасады, ол Ljungstroms Angturbin компаниясының бас инженері болған. Лисхолм газ турбиналарындағы компрессордың құбылуын (surge) жеңудің жолын іздеп жүргенде бұрандалы компрессорды әзірледі. Алдымен тамыр типті үрлегішті қарастырды, бірақ ол жеткілікті жоғары қысым коэффициентін (pressure ratio) жасамайтынын анықтады. 1935 жылы Ljungstroms спиральді лобты бұрандалы компрессорды патенттеді, содан кейін ол көптеген өндірушілерге лицензияланды. 1951 жылы Ljungstroms Angturbin AB Svenska Rotor Maskiner (SRM) деп қайта аталды. 1952 жылы шотландтық Howden инженерлік компаниясы алғашқы Holroyd кесу станогын спиральді лобты компрессор роторларын өндіру үшін пайдаланды, бұл шығындарды және өндіріс уақытын едәуір төмендетті. Ішкі суық коалесцентті сүзгілері бар суық қысылған ауа кептіргіштері, ауа кептіргіштерінен кейінгі коалесцентті сүзгілерге қарағанда, көбірек май мен суды жояды, себебі ауа салқындатылғаннан және ылғал алынғаннан кейін, суық ауа кіретін ыстық ауаны алдын ала салқындату үшін қолданылады, бұл шығатын ауаны жылытады. Басқа қолданыстарда бұл мәселе, қысылған ауаның жергілікті жылдамдығын азайтатын қабылдағыш резервуарларды (receiver tanks) пайдалану арқылы шешіледі, бұл майдың конденсациялануына, ауа ағынынан түсіп қалуына және конденсатты басқару құралдары арқылы қысылған ауа жүйесінен алынып тасталуына мүмкіндік береді. Майға толы бұрандалы компрессорлар ауаның компрессиясы, газды салқындату, көмірсутектерді өңдеу және төмен сапалы жылу көздерінен қуат алу сияқты көптеген қолданыстарда қолданылады. Олардың көлемі кішкентай шеберханалық компрессорлардан ауыр өнеркәсіптік компрессорларға дейін өзгереді, шығыс қысымы жоғары. Жаңа майға толы бұрандалы ауа компрессорлары <5 мг/м³ майды шығарады.
Майлау материалдары, полиалкиленгликоль (PAG), полиалфаолефин (PAO), минералды майлар
PAG майы – полиалкиленгликоль, ол полигликоль деп те аталады. PAG майы толығымен жанады, қалдық қалдырмайды және жоғары температурада тізбектерді майлау үшін қатты майлағыштарды тасымалдауға қолданылады. Кейбір түрлері тағамдық сапаға сай және биоразлаган. PAG майлау материалдарын АҚШ-тың ең ірі екі ауа компрессор өндірушісі (OEM) бұрандалы ауа компрессорларында пайдаланады. PAG майымен жұмыс істейтін компрессорлар бояу шашыруға қолданылмайды, себебі PAG майы бояуды ерітеді. Химиялық тұрақтандыруға арналған екі компонентті эпоксидті бояулар PAG майына төзімді. Полигликольдер минералды майларға негіделген майлармен үйлесімсіз. Полигликольдер мен минералды майларды араластыру нәтижесінде желім тәрізді, жабысқақ масса пайда болады. Кремний майы полигликольдерге төзімді келеді. Пневматикалық басқаруды өндіретін бір компания тығыздағыштар мен прокладкаларға кремний майын жағады. Минералды маймен (бірақ полиалкиленгликоль майымен емес) майланған компрессорлар минералды маймен жабылған тығыздағыштарға, мысалы, жоғары жылдамдықты пневматикалық 4 жолды клапандарға және минералды майлағышсыз жұмыс істейтін пневматикалық цилиндрлерге ұсынылады. Бір өндіруші пневматикалық жоғары жылдамдықты 4 жолды клапандарының қызмет ету мерзімін полигликоль майымен байланыс болмаған жағдайда 50 миллион циклге бағалаған. Полиальфаолефин (PAO) майы минералды майлармен үйлесімді.
Конустық бұрандалы компрессор
Жақында ғана жасалған конустық бұрандалы компрессор, іс жүзінде геротордың конустық спиральға созылған нұсқасы болып табылады. Онда, жақсы жобаланған бұрандалы компрессорларда жиналым арқылы маңызды шығынға себеп болатын, "үру тесігі" деп аталатын ағып кету жолы болмайды. Бұл кішкентай роторлардың тиімді жұмыс істеуіне мүмкіндік береді, себебі кіші өлшемдерде ағып кету ауданы, тік бұрандалы компрессорлардағыдай, сору ауданының үлкен бөлігін құрамайды. Конус тәрізді ротордың диаметрінің азаюымен қатар, бұл бір сатыда төменгі шығыс импульсімен бірге жоғары сығылу коэффициенттерін қамтамасыз етеді.
Бақылау жүйелері
Ротациялық бұрандалы компрессорлардың ішінде әртүрлі артықшылықтары мен кемшіліктері бар көптеген басқару жүйелері кездеседі.
Бастау/остату
Бастау/тоқтату басқару схемасында компрессордың басқару құрылғылары релелер арқылы қозғалтқышқа қуатты қосып, қажеттілікке қарай алып тастайды. Көп жағдайда, жүктеме үзділісті болса немесе компрессорға дұрыс сай келмесе, үлкен мөлшерде сақтау қажет болады, ал қажетті сақтау көлемі көбінесе компрессордың өзінен де артық болуы мүмкін.
Жүктілік/жүк түсіру
Жүктеу/босату басқару схемасында компрессор үнемі қуатпен жабдықталады. Дегенмен, қысылған ауаға деген қажеттілік қанағаттандырылған немесе азайтылған кезде, компрессордың қуатын ажыратудың орнына, «сырғыма клапан» деп аталатын құрылғы қосылады. Бұл құрылғы ротордың бір бөлігін ашып, машинаның өнімділігін компрессордың мүмкіндігінің шамамен 25%-ына дейін пропорционалды түрде төмендетеді, осылайша компрессорды босатады. Бұл, электрмен жұмыс істейтін компрессорлардағы электр моторларының іске қосылу/тоқтату циклдарының санын азайтады, іске қосылу/тоқтату басқару схемасына қарағанда жабдықтың қызмет ету мерзімін ұзартады және пайдалану шығындарында минималды өзгеріске әкеледі. Жүктеу/босату басқару схемасы таймермен біріктіріліп, компрессор белгілі бір уақыт бойы үздіксіз босатылғаннан кейін тоқтатылса, ол «қос басқару» немесе «автоматтық қос режим» деп аталады. Бұл басқару схемасы тұтынуды теңестіру үшін тек екі өндіріс деңгейі болғандықтан, сақтауды қажет етеді, бірақ бұл көрсеткіш іске қосылу/тоқтату схемасымен салыстырғанда айтарлықтай төмен.
Модуляция
Компрессорды іске қосып, тоқтатудың орнына, жоғарыда сипатталғандай, сырғыма клапан сұранысқа қарай қуатты үздіксіз реттейді, сатылы түрде басқарылмайды. Бұл кең ауқымдағы сұраныс кезінде тұрақты шығару қысымын қамтамасыз етеді, бірақ жалпы электр энергиясын тұтыну жүктеме/түсіру схемасына қарағанда жоғары болуы мүмкін. Нәтижесінде, компрессор жүктемесі жоқ кезде толық қуаттың шамамен 70% энергия жұмсалады. Компрессордың қуат тұтынуын қысылған ауа шығымына қатысты шектеулі реттеуге байланысты, модуляция айнымалы жылдамдықты жетектермен салыстырғанда тиімді емес басқару әдісі болып табылады. Дегенмен, компрессордың жұмысын жиі тоқтату және қайта іске қосу мүмкін болмайтын жағдайларда (мысалы, компрессорды ішкі жану қозғалтқышымен басқарып, қысылған ауа қабылдағышысыз пайдаланғанда) модуляция қолдануға жарамды. Өндіріс жылдамдығының үздіксіз өзгеруі, жүктеме компрессор қуатын аспаса, қосымша сақтау қажеттілігін жояды.
Өзгермелі орын ауыстыру
Quincy Compressor, Kobelco, Gardner Denver, Kaishan USA және Sullair сияқты компрессорлық компаниялар қолданатын, ауыспалы орынды жылжыту, ауа ағынының бұрандалардың бір бөлігін айналып өтуіне мүмкіндік беру арқылы ауаны сығып, бұрандалы компрессор роторларының жұмыс істейтін пайызын өзгертеді. Бұл, модуляциялық басқару схемасымен салыстырғанда қуат тұтынуды азайтады, бірақ үлкен сақтағыш көлемде (10 галлонға CFM) жүктеу/түсіру жүйесі тиімдірек болуы мүмкін. Егер үлкен сақтағыш көлемге қол жеткізу мүмкін болмаса, айнымалы орынды жылжыту жүйесі, әсіресе толық жүктеменің 70% астам бөлігінде өте тиімді болуы мүмкін. Ауыспалы орынды жылжытудың бір жолы – компрессордың сору жағында бірнеше көтергіш клапандарды пайдалану, олардың әрқайсысы тиісті шығару орнына қосылады. Автокөліктегі турбокомпрессорларда бұл айналып өту клапанының жұмысына ұқсас.
Өзгермелі жылдамдық
Айнымалы жылдамдықты жетекпен жұмыс істейтін ауа компрессоры, дұрыс күтілген жүктеме/босату компрессорымен салыстырғанда, қызмет ету мерзімін едәуір қысқартпай, ең төменгі пайдалану энергиясы шығындарын ұсына алады. Алайда, айнымалы жылдамдықты жетектің жиілігін өзгертетін қуат инверторы мұндай компрессордың құрылымына қосымша шығындарды әкеледі, егер ауаға деген сұраныс тұрақты болса, тиісті өлшемдегі жүктеме/босату компрессорымен салыстырғанда экономикалық тиімділігін төмендетеді. Дегенмен, айнымалы жылдамдықты жетек компрессордың қуат тұтынуы мен бос ауа беру арасында дерлік сызықтық байланыс орнатып, ауа сұранысының кең диапазонында ең тиімді жұмысты қамтамасыз етеді. Компрессор өте төмен сұраныс кезінде де іске қосылып-өшірілу режиміне көшуі мүмкін, себебі ротордан ауаның шығуына байланысты төмен өндіріс деңгейінде тиімділік күрт төмендейді. Ауа райы қиын жағдайларда (ыстық, ылғалды немесе шаңды) айнымалы жылдамдықты жетектердің электроникасын күтілетін қызмет мерзімін сақтау үшін қорғау қажет болуы мүмкін.
Қосымша жүктемелері
Екі бұрандалы суперкомпрессор – оң көлемдік типтегі құрылғы, ол құрттай дөңгелектер жиынтығына ұқсас, жақын аралықтағы екі бұранда арқылы ауаны итеріп жұмыс істейді. Екі бұрандалы суперкомпрессорлар оны ойлап тапқан Альф Лайсхолмның құрметіне Лайсхолм суперкомпрессорлары (немесе компрессорлар) деп те аталады. Әрбір ротор радиалды түрде симметриялы, бірақ бүйірлік асимметриялы. Қарама-қарсылығы, дәстүрлі "Roots" типті үрлегіштерде бірдей роторлар (түзу роторлармен) немесе айналатын роторлар (спиральді роторлармен) болады. Whipple компаниясы жасаған еркек ротор үш қанатты, ал әйел ротор бес қанатты. Kenne Bell компаниясы жасаған еркек ротор төрт қанатты, әйел ротор алты қанатты. Кейбір ертерек үлгілерде әйел ротордың төрт қанаты болған. Ал, Roots үрлегіштерде екі ротордың да қанаттарының саны әрқашан бірдей болады, әдетте 2, 3 немесе 4.
Салыстырмалы артықшылықтар
Ротациялық бұрандалы компрессордың ағу деңгейі төмен және паразиттік шығындары аз, бұл Roots типінен айырмашылығын көрсетеді. Үдемелі зарядтаушы әдетте қозғалтқыштың коленкалы білігінен тікелей, белдік немесе тісті дөңгелек жетегі арқылы икемделеді. Roots типіндегі үдемелі зарядтаушыдан өзгеше, қос бұранда ішкі сығылу қабілетіне ие, яғни құрылғы арқылы жылжығанда корпустағы ауаны сығып, қысымды арттыру үшін шығарылымнан кейінгі ағынға қарсылыққа емес, оның өзінде қамтамасыз етеді. Жоғары дәлдікті компьютерлік басқарумен өндіріс техникасының қажеттілігі бұрандалы типті үдемелі зарядтаушыны басқа қолжетімді күшті индукция түрлеріне қарағанда қымбат нұсқаға айналдырады. Бірақ соңғы технологиялардың арқасында өндіріс құны төмендеп, тиімділігі артты. Барлық үдемелі зарядтаушы түрлері сорғылау және сығылу кезінде пайда болатын жылуды азайту үшін интеркулерді пайдаланудан үлкен пайда көреді. Ford, Mazda, Mercedes және Mercury Marine сияқты компанияларда қолданылатын қос бұранда технологиясының нақты мысалы, қос бұранданың тиімділігін көрсете алады. Кейбір центробегульді үдемелі зарядтаушылар тұрақты және сенімді болғанымен, олар әдетте қозғалтқыштың ең жоғары айналымдарына жақын ғана толық күш береді, ал оң ығысулы үдемелі зарядтаушылар, мысалы Roots типіндегі және қос бұрандалы типтер, күшті дереу ұсынады. Сонымен қатар, қос бұрандалы үдемелі зарядтаушылар жоғары айналымдарда да лайықты күшті басқа оң ығысулы үдемелі зарядтаушылардан жақсы сақтай алады.
Қатынасты терминдер
"Үрлегіш" термині көбінесе қосымша ауа ағыны қажет болатын қозғалтқыштарға орнатылатын құрылғыны анықтау үшін қолданылады, мысалы, 2 тактілі дизельдік қозғалтқыш, онда "тазалау" яки, цилиндрден пайдаланылған газды шығару және сығылу тактысы алдында цилиндрге жаңа ауа қоспасын күштеп беру үшін оң қабылдау қысымы қажет. "Үрлегіш" термині бұрандалы, тамырлы және центробектік компрессорларға қатысты қолданылады, егер олар автомобильдің күшті индукция жүйесінің бөлігі ретінде пайдаланылса. "Кабиналық үрлегіш" термині сондай-ақ ұшақтарды биікке көтерілу үшін қысыммен қамтамасыз ету үшін де қолданылады, әсіресе 1950 жылдары тамырлы типтегі компрессорлар қолданылды (Маршалл суперкомпрессорына қараңыз).