Введение

Роторный винтовой компрессор – это тип газового компрессора, например, воздушного компрессора, использующий роторный механизм вытеснения. Эти компрессоры широко применяются в промышленности и заменяют традиционные поршневые компрессоры там, где требуется большой объем сжатого газа, например, в крупных холодильных установках, таких как чиллеры, или в системах сжатого воздуха для привода пневмоинструмента, такого как отбойные молотки и ударные гайковерты. Для небольших размеров роторов внутренние утечки в роторах становятся существенно более значимыми, что делает этот тип механизма менее подходящим для малогабаритных компрессоров по сравнению с поршневыми. Винтовой компрессор аналогичен винтовому насосу, за исключением того, что объемы захваченного материала постепенно уменьшаются вдоль винта, тем самым сжимая содержащийся в них материал. Таким образом, винт винтового компрессора асимметричен по всей длине, в то время как винт винтового насоса симметричен. Процесс сжатия газа в роторном винтовом компрессоре представляет собой непрерывное перемещение, поэтому пульсации и скачки потока минимальны, в отличие от поршневых компрессоров. Это также позволяет винтовым компрессорам работать значительно тише и с меньшей вибрацией, чем поршневые, даже больших размеров, и обеспечивает определенные преимущества в эффективности.

Работа

Для сжатия газа в роторных винтовых компрессорах используются два очень плотно переплетающихся спиральных ротора. В сухоработающем винтовом компрессоре зубчатая передача обеспечивает точное выравнивание ротора-ведущего и ротора-ведомого без контакта, который привел бы к быстрому износу. В маслозаполненном винтовом компрессоре смазочное масло заполняет пространство между роторами, обеспечивая как гидравлическое уплотнение, так и передачу механической энергии между роторами, позволяя одному ротору приводиться в движение другим. Газ поступает со стороны всасывания и перемещается по витковым каналам при вращении роторов. Переплетающиеся роторы проталкивают газ через компрессор, и газ выходит в конце роторов. Рабочая область – это межлопастное пространство между ротором-ведущим и ротором-ведомым. Оно больше с торца всасывания и уменьшается по длине роторов до выпускного отверстия. Это изменение объема и является сжатием. Всасываемый заряд поступает в конце роторов в большой зазор между лопастями ротора-ведущего и ротора-ведомого. С торца всасывания лопасть ротора-ведущего значительно меньше, чем лопасть ротора-ведомого, но относительные размеры меняются по длине обоих роторов (ротор-ведущий становится больше, а ротор-ведомый – меньше), пока (касательно выпускного порта) зазор между каждой парой лопастей не станет значительно меньше. Это уменьшение объема вызывает сжатие заряда перед подачей в выходной коллектор. Эффективность этого механизма зависит от точной подгонки зазоров между спиральными роторами и между роторами и камерой для герметизации компрессионных полостей. Однако некоторая утечка неизбежна, и высокие скорости вращения необходимо использовать для минимизации соотношения скорости утечки к эффективной скорости потока. В отличие от компрессоров Рутса, современные винтовые компрессоры изготавливаются с различными профилями роторов: ротор-ведущий имеет выпуклые лопасти, которые входят в вогнутые каналы ротора-ведомого. Обычно ротор-ведущий имеет меньше лопастей, чем ротор-ведомый, поэтому он вращается быстрее. Изначально винтовые компрессоры изготавливались с симметричными профилями камер роторов, но современные версии используют асимметричные роторы, точные конструкции которых запатентованы.

Размер

Мощность винтовых компрессоров обычно измеряется в лошадиных силах (HP), стандартных кубических футах в минуту (SCFM)* и фунтах на квадратный дюйм (PSIG). Для моделей мощностью от 5 до 30 л.с. физические размеры сопоставимы с типичным двухступенчатым компрессором. С увеличением мощности наблюдается значительная экономия за счет масштаба в пользу винтовых компрессоров. Например, компрессор мощностью 250 л.с. – это крупногабаритное оборудование, для установки которого обычно требуется специальный фундамент, приспособленное помещение и высококвалифицированные такелажники. В то же время, винтовой компрессор мощностью 250 л.с. можно установить на обычном цехе с помощью стандартного вилочного погрузчика. В отрасли компрессор мощностью 250 л.с. обычно считается компактным оборудованием. Винтовые компрессоры обычно доступны в диапазоне от 5 до 500 л.с. и могут обеспечивать воздушный поток более 2500 SCFM. Давление, создаваемое одноступенчатым винтовым компрессором, ограничено 250 PSIG, в то время как двухступенчатый винтовой компрессор может развивать давление до 600 PSIG. Винтовые компрессоры, как правило, работают плавно с минимальной вибрацией, поэтому не требуют специального фундамента или системы крепления. Обычно они устанавливаются на стандартные резиновые виброизоляторы, предназначенные для поглощения высокочастотных колебаний. Это особенно актуально для винтовых компрессоров, работающих на высоких оборотах. *В меньшей степени некоторые компрессоры оцениваются в фактических кубических футах в минуту (ACFM). Другие измеряются в кубических футах в минуту (CFM). Использовать CFM для оценки компрессора некорректно, так как это расход, не зависящий от опорного давления, например, 20 CFM при 60 PSI.

История

Винтовой компрессор был впервые запатентован в 1878 году Генрихом Кригаром в Германии, однако патент истек до того, как была построена рабочая машина. Современный спиральный винтовой компрессор был разработан в Швеции Альфом Лисхольмом, который был главным инженером компании Ljungstroms Angturbin. Лисхольм разработал винтовой компрессор, стремясь найти способ предотвратить помпаж компрессоров в газовых турбинах. Первоначально Лисхольм рассматривал воздуходувку типа Рутса, но обнаружил, что она не способна создавать достаточно высокое отношение давлений. В 1935 году компания Ljungstroms запатентовала спиральный винтовой компрессор, который впоследствии был широко лицензирован другим производителям. В 1951 году компания Ljungstroms Angturbin AB была переименована в Svenska Rotor Maskiner (SRM). В 1952 году шотландская инженерная компания Howden впервые использовала станок Holroyd для резки, чтобы изготовить роторы спиральных винтовых компрессоров, что значительно снизило стоимость и время производства. Рефрижераторные осушители сжатого воздуха с внутренними фильтрами тонкой очистки способны удалять больше масла и воды, чем фильтры тонкой очистки, расположенные после осушителя, поскольку после охлаждения воздуха и удаления влаги холодный воздух используется для предварительного охлаждения входящего горячего воздуха, что, в свою очередь, нагревает выходящий воздух. В других применениях это компенсируется использованием ресиверов, которые снижают локальную скорость сжатого воздуха, позволяя маслу конденсироваться, выпадать из воздушного потока и удаляться из системы сжатого воздуха с помощью оборудования для управления конденсатом. Маслозаполненные винтовые компрессоры используются в широком спектре применений, включая компрессию воздуха, охлаждение газов, переработку углеводородов и утилизацию энергии из низкосортных источников тепла. Размеры варьируются от небольших компрессоров для мастерских до крупных промышленных компрессоров с выходным давлением до… Новые маслозаполненные винтовые воздушные компрессоры выпускают менее 5 мг/м³ уносимого масла.

Мази, полиалкиленовый гликоль (ПАГ), полиалфаолефин (ПАО), минеральные масла

PAG-масло – это полиалкиленгликоль, также называемый полигликолем. PAG-масло выгорает полностью, не оставляя остатков, и используется в качестве базового масла для твердых смазочных материалов при высокотемпературной смазке цепей. Некоторые марки пригодны для пищевой промышленности и являются биоразлагаемыми. Смазочные материалы PAG используются двумя крупнейшими производителями воздушных компрессоров в США в роторных винтовых компрессорах. Компрессоры с впрыском масла PAG не применяются для распыления краски, так как масла PAG растворяют краски. Двухкомпонентные краски на основе эпоксидной смолы, отверждаемые реакцией, устойчивы к воздействию PAG-масел. Полигликоли несовместимы со смазками на основе минеральных масел. Смесь полигликолей с минеральными маслами приводит к образованию гелеобразной, липкой массы. Силиконовая смазка совместима с полигликолями. Один производитель пневматического оборудования наносит силиконовую смазку на уплотнения и прокладки. Компрессоры, смазанные минеральным маслом (но не полиалкиленгликолем), рекомендуются для уплотнений, покрытых минеральными смазками, таких как пневматические высокоскоростные 4-ходовые клапаны и пневмоцилиндры, работающие без системы подачи минерального масла. Один производитель заявляет о ресурсе своих пневматических высокоскоростных 4-ходовых клапанов в 50 миллионов циклов при отсутствии контакта с полигликолевыми маслами. Полиальфаолефиновое (PAO) масло совместимо с минеральными смазками.

Конический винтовый компрессор

Относительно недавно разработанный конический винтовой компрессор фактически представляет собой коническое спиральное расширение геротора. Он лишён присущего обычным винтовым компрессорам пути утечки через "продувочное отверстие", который в хорошо спроектированных компрессорах является причиной значительных потерь на утечку через корпус. Это позволяет использовать роторы меньшего размера с практически достижимым КПД, поскольку при уменьшении габаритов площадь утечки не составляет столь значительной доли от площади, участвующей в перекачке, как в компрессорах с прямыми винтами. В сочетании с уменьшающимся диаметром конического ротора это также обеспечивает возможность достижения значительно более высоких степеней сжатия за одну ступень и снижает пульсации на выходе.

Системы контроля

Среди ротационных винтовых компрессоров существует несколько схем регулирования, каждая из которых обладает своими преимуществами и недостатками.

Запуск/остановка

В схеме управления пуском/остановкой, регуляторы компрессора активируют реле для подачи и отключения питания двигателя в зависимости от потребности в сжатом воздухе. В большинстве случаев применения требуется значительный объем аккумулирования. Если нагрузка непостоянна или плохо согласована с производительностью компрессора, необходимый объем аккумулирования часто превышает объем самого компрессора.

Загрузка/разгрузка

В схеме управления нагрузкой/разгрузкой компрессор остается постоянно включенным. Однако, когда потребность в сжатом воздухе удовлетворена или снижается, вместо отключения питания компрессора, активируется устройство, известное как сдвижной клапан. Это устройство открывает часть ротора и пропорционально уменьшает производительность машины до, как правило, 25% от номинальной мощности компрессора, тем самым осуществляя разгрузку компрессора. Это снижает количество циклов пуска/остановки электродвигателей по сравнению со схемой управления пуском/остановкой в компрессорах с электрическим приводом, увеличивая срок службы оборудования при минимальных изменениях эксплуатационных расходов. Если схема управления нагрузкой/разгрузкой комбинируется с таймером для остановки компрессора после заранее установленного периода непрерывной работы в режиме разгрузки, она называется схемой двойного управления или автоматической схемой двойного управления. Эта схема управления все еще требует наличия накопителя, поскольку для соответствия потреблению доступны только два уровня производительности, хотя и значительно меньше, чем в схеме пуска/остановки.

Модуляция

Вместо того чтобы запускать и останавливать компрессор, сдвижной клапан, как описано выше, непрерывно регулирует производительность в соответствии с потребностью, а не управляется дискретно. Это обеспечивает стабильное давление на выходе в широком диапазоне потребления, однако общее энергопотребление может быть выше, чем при схеме включения/выключения, достигая примерно 70% от энергопотребления при полной нагрузке, когда компрессор работает без нагрузки. Из-за ограниченной возможности регулировки энергопотребления компрессора по отношению к производительности по сжатому воздуху, модуляция, как правило, является менее эффективным методом управления по сравнению с приводами с регулируемой скоростью. Тем не менее, для применений, где частая остановка и повторный запуск компрессора затруднены (например, когда компрессор приводится в действие двигателем внутреннего сгорания и работает без ресивера сжатого воздуха), модуляция является подходящим решением. Постоянно изменяемая скорость производства также снижает потребность в значительном объеме хранения, если нагрузка никогда не превышает производительность компрессора.

Переменное смещение

Используется такими компаниями-производителями компрессоров, как Quincy Compressor, Kobelco, Gardner Denver, Kaishan USA и Sullair, система переменного рабочего объема изменяет процент роторов винтового компрессора, участвующих в сжатии воздуха, позволяя воздушному потоку обходить часть винтовой пары. Хотя это и снижает энергопотребление по сравнению со схемой управления модуляцией, система «нагрузка/разгрузка» может быть более эффективной при больших объемах аккумулирования (10 галлонов на CFM). Если создание большого объема аккумулирования нецелесообразно, система переменного рабочего объема может быть очень эффективной, особенно при нагрузке более 70% от максимальной. Один из способов реализации переменного рабочего объема – использование нескольких впускных клапанов на стороне всасывания компрессора, каждый из которых соединен с соответствующим местом на стороне нагнетания. В автомобильных турбокомпрессорах это аналогично работе обходного клапана.

Переменная скорость

В то время как воздушный компрессор с приводом на основе частотно-регулируемого преобразователя может обеспечивать минимальные эксплуатационные расходы на электроэнергию без существенного сокращения срока службы по сравнению с правильно обслуживаемым компрессором с системой включения/выключения, частотный преобразователь в приводе на основе частотно-регулируемого преобразователя обычно значительно удорожает конструкцию такого компрессора, снижая его экономическую выгоду по сравнению с правильно подобранным компрессором с системой включения/выключения при постоянном потреблении воздуха. Однако привод на основе частотно-регулируемого преобразователя обеспечивает почти линейную зависимость между потреблением мощности компрессором и производительностью по свободному воздуху, что позволяет достичь максимальной эффективности в очень широком диапазоне потребления воздуха. Компрессору все же придется переходить в режим старт/стоп при очень низком потреблении, поскольку эффективность все еще резко падает при низких показателях производительности из-за утечек в роторе. В неблагоприятных условиях окружающей среды (высокой температуры, влажности или запыленности) может потребоваться защита электроники приводов на основе частотно-регулируемого преобразователя для обеспечения ожидаемого срока службы.

Сверхнагнетатели

Двойной винтовой нагнетатель – это устройство объемного типа, работающее путем проталкивания воздуха через пару винтов с минимальным зазором, аналогичных червячным шестерням. Двойные винтовые нагнетатели также известны как нагнетатели (или компрессоры) Ли́схольма, в честь их изобретателя Альфа Ли́схольма. Каждый ротор радиально симметричен, но латерально асимметричен. В отличие от них, традиционные нагнетатели типа "Roots" имеют либо идентичные роторы (с прямыми лопастями), либо роторы, являющиеся зеркальным отражением друг друга (со спиральными лопастями). Ротор Whipple мужского типа имеет три лопасти, женского – пять. Ротор Kenne Bell мужского типа имеет четыре лопасти, женского – шесть. В некоторых более ранних конструкциях женский ротор имел четыре лопасти. В отличие от этого, нагнетатели Roots всегда имеют одинаковое количество лопастей на обоих роторах, обычно 2, 3 или 4.

Сравнительные преимущества

Роторный винтовой компрессор характеризуется низким уровнем утечек и малыми паразитарными потерями по сравнению с компрессорами типа Roots. Нагнетатель обычно приводится в действие непосредственно от коленчатого вала двигателя через ременную или зубчатую передачу. В отличие от нагнетателя типа Roots, двухвинтовой нагнетатель обладает внутренней компрессией – способностью сжимать воздух внутри корпуса по мере его прохождения через устройство, а не полагаться на сопротивление потоку после выходного отверстия для создания повышения давления. Высокие требования к точности компьютерного управления производством делают двухвинтовой нагнетатель более дорогостоящей альтернативой другим видам наддува. Однако, благодаря более современным технологиям, стоимость производства снизилась, а производительность возросла. Все типы нагнетателей выигрывают от использования интеркулера для снижения нагрева, возникающего при перекачке и сжатии воздуха. Ярким примером применения двухвинтовой технологии в компаниях Ford, Mazda, Mercedes и Mercury Marine можно наглядно продемонстрировать эффективность двухвинтовых нагнетателей. В то время как некоторые центробежные нагнетатели отличаются стабильностью и надежностью, они обычно не обеспечивают полный наддув до высоких оборотов двигателя, в то время как нагнетатели с объемным принципом действия, такие как нагнетатели типа Roots и двухвинтовые нагнетатели, обеспечивают более быстрый отклик. Кроме того, двухвинтовые нагнетатели способны поддерживать стабильный наддув на более высоких оборотах лучше, чем другие нагнетатели с объемным принципом действия.

Связанные термины

Термин "нагнетатель" обычно используется для обозначения устройства, устанавливаемого на двигателях, которым требуется дополнительный поток воздуха, например, на двухтактном дизельном двигателе, где необходимо избыточное давление во впуске для "продувки" – удаления отработавших газов из цилиндра и заполнения его свежим зарядом перед тактом сжатия. Термин "нагнетатель" применяется к роторно-винтовым, роторным и центробежным компрессорам, когда они используются как часть системы наддува автомобильного двигателя. Термин "кабинный нагнетатель" также используется для герметизации кабины воздушных судов при полетах на большой высоте, где особенно в 1950-х годах применялись компрессоры роторного типа (см. нагнетатель Marshall).