Привод поршневого компрессора

Привод компрессора включает в себя двигатель, механизм передачи движения от двигателя к валу компрессора и аппаратуру управления. В дальнейшем под приводом компрессора будем понимать его основную часть — двигатель.

В подавляющем большинстве случаев приводом поршневого компрессора служит электродвигатель или двигатель внутреннего сгорания. В редких случаях они приводятся в движение от паровой турбины (через редуктор) или с помощью гидропривода (в установках сверхвысокого давления). Привод от электродвигателя имеет наибольшее распространение. Компрессоры сравнительно малой мощности оснащаются асинхронными электродвигателями, мощностью от 100 до 1000 кВт — асинхронными и синхронными электродвигателями, причем предпочтение отдается синхронным двигателям. Для привода крупных оппозитных компрессоров отечественного производства применяются специальные синхронные быстроходные электродвигатели мощностью от 250 до 6300 кВт. Основным преимуществом синхронных двигателей является их способность работать с cos ф = 1 и даже быть источником «безваттной» мощности. Это оправдывает их применение, несмотря на более высокую стоимость, трудности пуска и необходимость в более квалифицированном обслуживании.

При мощности привода менее 500 кВт часто применяют фланцевый двигатель, статор которого крепится своим фланцем к станине компрессора, а ротор насаживается на удлиненный конец коленчатого вала. В компрессорах большей мощности статор электродвигателя не соединяют со станиной компрессора, а устанавливают на общей с компрессором или отдельной от него фундаментной плите. Компрессоры большой мощности имеют электродвигатель с выносным подшипником, при этом вес ротора воспринимается не только ближайшим подшипником станины, но и выносным, что облегчает условия работы вала компрессора. Нагрузка на консольный участок вала компрессора при тяжелом роторе может быть уменьшена или полностью компенсирована силой магнитного притяжения ротора к статору, если зазор между ними в верхней части электродвигателя уменьшить путем смещения статора вниз.

Используя обособленный электродвигатель, подсоединяем компрессоры к нему с помощью муфт, причем полумуфта на конце вала компрессора конструируется с таким расчетом, чтобы она выполняла роль маховика (если это необходимо). Если скорость вращения вала компрессора ниже скорости вращения электродвигателя, то соединение их осуществляется, с помощью клиноременной передачи, причем шкив на валу компрессора может выполнять, если это требуется, роль маховика. При пуске компрессора электродвигатель потребляет ток, в несколько раз превышающий номинальный, поэтому компрессор разгружают либо перепуском газа после последней и промежуточных ступеней в линию всасывания первой ступени, либо отжимом всасывающих клапанов.

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором малой мощности допускают непосредственное включение в сеть, для двигателей средней мощности применяют пуск с переключением со звезды на треугольник, а для крупных двигателей — через пусковой трансформатор или последовательное включение статорных обмоток. Пуск асинхронных двигателей с фазным ротором осуществляют с помощью пускового реостата, включаемого в цепь ротора. Ротор синхронного электродвигателя снабжается дополнительной короткозамкнутой обмоткой, предназначенной для пуска. Ток возбуждения полюсов ротора включается после того, как ротор разовьет частоту, близкую к синхронной, после чего двигатель выходит на синхронную частоту вращения.

Основные преимущества электропривода: простота обслуживания, постоянная готовность к работе и высокая надежность; недостатки не допускают изменения производительности компреесоров путем изменения частоты вращения ала не обладают достаточной автономностью (что не позволяет применять их в ряде передвижных компрессорных установок). Для передвижных компрессорных установок часто используются двигатели внутреннего сгорания, работающие на жидком топливе, дизельные (более экономичны, используют более дешевое топливо, применяются в передвижных, иногда и стационарных компрессорах средней производительности) или карбюраторные (применяют, главным образом, в передвижных установках малой мощности). В газовой, нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленностях нашли применение газомотокомпрессоры, т.е. компрессоры, выполненные заодно с газовым двигателем и имеющие с ним общий вал. Такие компрессоры выполняют угловыми с горизонтальным расположением компрессорных цилиндров двойного действия и вертикальным или У-образным расположением цилиндров двигателя. Изменение производительности мотокомпрессора, как и компрессора с приводом от отдельного двигателя, производят изменением частоты вращения вала.

"Добавить комментарий"

Вертикальные и горизонтальные компрессоры

Вертикальные компрессоры

Онн занимают меньшую площадь, но при большей производительности значительно высоки и сложны в обслуживании. Цилиндры вертикальных крейцкопфных компрессоров имеют меньший и равномерный износ, вертикально направленные силы инерции лучш гасятся фундаментом, в результате чего его можно облегчить. Температурные и упругие деформации в вертикальных компрессорах свободны.

Горизонтальные компрессоры

Горизонтальными выполняются, как правило, крупные крейцкопфные компрессоры средней и большой производительности. Широкое распространение в последние годы получили горизонтальные компрессоры с расположением цилиндров по обе стороны вала, так называемые оппозитные компрессоры, которые обладают существенными преимуществами перед компрессорами других типов.

Основным преимуществом оппозитных компрессоров является возможность выполнения их многорядными с расположением в каждом ряду одного цилиндра. В ступенях низкого давления, где объем сжимаемого газа велик, появилась возможность иметь два и более цилиндров в нескольких рядах. Поэтому диаметры цилиндров и поршней оказались значительно меньшими, чем в горизонтальных компрессорах прежних конструкций с расположением цилиндров по одну сторону вала и с дифференциальными поршнями. Это дало возможность существенно уменьшить массу подвижных частей и тем самым значения сил инерции. При этом силы инерции в противолежащих рядах могут быть полностью уравновешены. Снижение нагрузок на механизм движения и хорошая уравновешенность в оппозитных компрессорах сделали возможным увеличение частоты вращения вала в два-три раза, что, в свою очередь, позволило уменьшить размеры цилиндров и компрессоров в целом.

Вследствие взаимного уравновешивания инерционных сил, действующих в противолежащих рядах компрессора, коренные подшипники вала оказываются разгруженными, силы инерции, а в некоторых компоновках и моменты этих сил не передаются на фундамент (возможна установка компрессора на относительно небольших фундаментах). При высокой частоте вращения масса ротора электродвигателя оказывается достаточной для обеспечения необходимого махового момента без дополнительного маховика. По сравнению с горизонтальными компрессорами, у которых цилиндры размещены по одну сторону от коленчатого вала, у оппозитных компрессоров удельная масса в 1,9 раза, а занимаемая площадь в 1,4 раза меньше.

Основные преимущества угловых компрессоров: достаточно хорошо уравновешены с помощью противовесов (как правило, удается полностью уравновесить силы инерции первого порядка, но силы инерции второго порядка остаются свободными); цилиндры значительно удалены друг от друга; в пространстве межд рядами вертикально-горизонтальных машин может быть расположен промежуточный холодильник; простота конструкции и малая длина вала, что способствует применению подшипников качения; удобство монтажа.

Наиболее простой механизм движения имеют однорядные компрессоры тем не менее они встречаются сравнительно редко, ввиду преимуществ многорядного исполнения, которое позволяет добиться более гладкой диаграммы противодействующего момента, уменьшить поршневые силы, сократить число ступеней в ряду. При распределении ступеней между рядами и внутри одного ряда стремятся к уравниванию поршневых сил, улучшению уплотнений, облегчению монтажа и демонтажа ряда и сокращению размеров компрессора. При выборе расположения цилиндров следует учитывать вопросы размещения межступенчатых коммуникаций.

"Добавить комментарий"

Типы поршневых компрессоров

Поршневые компрессоры могут быть разделены на два обширных типа: бескрейцкопфные и крейцкопфные. Бескрейцкопфные компрессоры малой производительности отличаются простотой конструкции, имеют лучшие массогабаритные характеристики, вследствие чего помимо использования в стационарных условиях они получили широкое распространение в передвижных и транспортных установках, где требования компактности и малой массы особенно существенны. Этот тип компрессоров выполняется с тронковыми и дифференциальными поршнями. Площадь поверхности поршня, обращенная к картеру, остается нерабочей при тронковом поршне, а при дифференциальном — она может быть использована лишь частично.

Роль крейцкопфа в бескрейцкопфных компрессорах выполняет сам поршень, через него на стенки цилиндра передается нормальная составляющая поршневой силы. Последнее ведет к повышенному износу поршня и цилиндра и росту утечек газа через поршневое уплотнение, которые поступают в картер. При сжатии токсичных и взрывоопасных газов необходимо принимать специальные меры (делать картер герметичным с уплотненным выводом вала) для предотвращения попадания газа в машинный зал. В бескрейцкопфных компрессорах для смазки цилиндров и механизма движения используют компрессорные масла, обладающие достаточной вязкостью при высокой температуре стенок рабочей камеры, но излишне вязкие для механизма движения, что ведет к дополнительным затратам работы на механическое трение.

Бескрейцкопфные компрессоры уступают крейцкопфным по потерям на трение, кроме того, при равных производительностях они имеют большие диаметры поршней. Основные преимущества бескрейцкопфных компрессоров — малая масса и габаритные размеры. С экономической точки зрения область их рационального применения ограничивается мощностью 40—50 кВт. Более крупные компрессоры целесообразно выполнять крейцкопфными. Поршневые компрессоры по расположению осей цилиндров в пространстве подразделяются на вертикальные, горизонтальные и угловые. Наиболее распространены угловые компрессоры с осями цилиндров, симметричными вертикали (У- и Ш-образные), и вертикально-горизонтальные (П-образные или прямоугольные).

"Добавить комментарий"

Анализ рабочего процесса в ступени

С целью выяснения влияния внешних условий в конструктивных особенностей ступени выполнены экспериментальные и расчетно-теоретические (путем математического моделирования) исследования рабочих процессов, происходящих в ней. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных позволило оценить адекватность математической модели реальным процессам. При математическом моделировании можно не учитывать ряд сопровождающих реальный процесс явлений и выделить интересующие. Кроме того, исследование процессов математического моделирования быстрее и дешевле, чем проведение экспериментов. Рассмотрим влияние различных факторов на рабочий процесс.

Влияние конвективного теплообмена в цилиндре на рабочий процесс ступени. С помощью математической модели были рассмотрены, процессы в теплоизолированной ступени и в ступени при наличии конвективного теплообмена с температурами стенок и интенсивностью теплообмена, соответствующими реальным. Для того чтобы исключить влияние перетечек, ступень приняли абсолютно герметичной, т. е. с перетечками и утечками, равными кулю. Экспериментально это выполнить невозможно. Индикаторные диаграммы ступеней, полученные в результате расчета с конвективным теплообменом и без него, почти совпадают.

На температурных диаграммах ясно видно, что в конце процесса всасывания при наличии теплообмена температура газа выше, так как холодный всасываемый газ подогревается от стенок, поршня и крышек цилиндра. Вследствие повышения температуры газа в конце всасывания уменьшается массовая производительность компрессора и растет удельная индикаторная работа, а индикаторный изотермичский коэффициент полезного действия соответственно снижается.

Охлаждение стенок камер всасывания и нагнетания и его влияние на рабочий процесс. С целью определения влияния температуры стенок полости всасывания на рабочий процесс ступени производилось расчетное исследование с изменением температуры стенок в диапазоне от 37 до 97°С. Температуры стенок остальных поверхностей проточной части компрессора принимались неизменными, как в расчетном режиме. При увеличении температуры стенок полости всасывания возрастает температура газа во всей проточной части ступени, что вызывает снижение массовой производительности и увеличение удельной работы ступени.

В компрессорах небольшой производительности камеры всасывания и нагнетания выполнены в одном блоке и разделены металлической иеохлаждаемой перегородкой. Температура газа в полости нагнетания внше, чем в полости всасывания, и через перегородку идет поток теплоты от газа камеры нагнетания к газу камеры всасывания, увеличивая его подогрев. С целью уменьшения подогрева было произведено охлаждение перегородки водой. Это резко уменьшило подогрев газа в полости сасывания, увеличило производительность ступени иа 5—6% и снизило удельную индикаторную работу. При конструировании блока, закрывающего торец цилиндра, необходимо организовывать охлаждение перегородки между камерами водой. Если компрессоры имеют воздушное охлаждение, то камеры нагнетания и всасывания не должны разделяться общей металлической стенкой. Между стенками камер должен быть слой воздуха, который резко уменьшит тепловой поток между камерами.

Охлаждение полости всасывания оказывает доминирующее влияние на производительность и удельную мощность. Водяное охлаждение производится холодной водой, а воздушное — потоком вентилируемого воздуха, который должен быть направлен на головки цилиндров. Рациональное охлаждение ступени компрессора позволяет уменьшить удельное количество охлаждающей воды до 1—2 л/м3 газа. Влияние массообменных потерь в ступени на рабочий процесс. Влияние внешних утечек газа через уплотнения поршня или сальника. Внешние утечки газа уменьшают производительность ступени и в процессе сжатия снижают давление в цилиндре, отклоняя линию сжатия внутрь диаграммы, уменьшая ее площадь. Утечки в процессе нагнетания практически не изменяют вида диаграммы, так как безразлично, куда вытесняется газ: через клапаны в полость нагнетания или через уплотнения в атмосферу.

Утечки тоже уменьшают массу газа, расширяющегося из мертвого пространства, но отклоняют линию расширения в сторону меньших объемов цилиндра. Площадь индикаторной диаграммы при этом увеличивается. Утечки из ступени в период всасывания не оказывают влияния на форму индикаторной диаграммы. Наибольшие утечки газа происходят в период нагнетания, когда велика разность давлений в цилиндре и картере, не изменяя при этом форму диаграммы.

Индикаторная диаграмма от внешних утечек деформируется, ко площадь ее остается практически постоянной. Внешние утечки изменяют производительность ступени и удельную индикаторную работу. Влияние перетечек на рабочий процесс. Негерметачность клапанов линий всасывания приводит к поступлению горячих газов из цилиндра в полость всасывания и подогреву его новой порции, поступающей в цилиндр. Вместе с этой новой порцией, всасывается и газ перетечек, который уменьшает поступление свежего газа. Негерметичность нагнетательные клапанов приводит к поступлению в рабочую камеру (цилиндр) горячего газа из полости нагнетания за время расширения, всасывания и сжатия. В процессе нагнетания газ перетечек вытесняется из цилиндра обратно в полость нагнетания.

"Добавить комментарий"

Перетечки и их влияние на производительность

В проточной части ступени имеются полости, в которых в различные моменты цикла существуют разные давления газа. Закрытые клапаны не являются абсолютно герметичными. Между пластинами клапана и седлом имеются неплотности, через которые газ из полости с более высоким давлением перетекает в полость с более низким давлением. Например, через закрытые всасывающие клапаны газ из цилиндра в процессе сжатия, нагнетания и расширения перетекает в полость всасывания. В процессе всасывания следующего цикла газ перетечек вновь поступает в цилиндр уменьшая свободный объем для поступления свежего газа. Вследствие того что в полость всасывания перетекает горячий газ, он подогревает в ней свежий газ и тем самым уменьшает плотность газа, заполняющего цилиндр при всасывании в следующем цикле. Перетечки из полости нагнетания в цилиндр в процессах расширения и всасывания уменьшают объем для заполнения свежим газом, так как сами занимают какой-то объём цилиндра и подогревают свежий всасываемый газ.

В период сжатия перетечки не влияют на производительность, так как всасывание закончилось и всасывающие клапаны закрылись. Однако они увеличивают индикаторную работу, т.е. тоже являются вредными. В период нагнетания газ перетечек через нагнетательные клапаны будет вновь вытеснен из цилиндра в полость нагнетания. Перетечки через клапаны возрастают при запаздывании посадки пластин на седло. Запаздывание посадки пластин всасывающих клапанов после выравнивания давлений цилиндра и полости всасывания приводит к выталкиванию части газа из цилиндра. Однако эти потери не так велики. Запаздывание посадки нагнетательных клапанов после перемены направления движения поршня приводит к перетечке сжатого газа из полости нагнетания в цилиндры. Перетечки в этом случае как бы увеличивают относительное мертвое пространство и снижают производительность. Например, увеличение частоты вращения поршня от 15 до 50 вызвало запаздывание посадки пластин более чем на 40° и относительные перетечки возросли с 0,01 до 0,2.

Экспериментально разделить процессы перетечек через клапаны по процессам цикла невозможно. Однако это можно сделать расчетным путем с помощью ЭВМ, используя математические модели процесса. В ступенях с дисковым поршнем рабочие камеры образуются по обе стороны поршня, циклы в которых смещены на половину оборота коленчатого вала. Потоки газа через неплотности уплонения поршня не покидают проточной части, перетекая из полости в полость. Направление потока определяется разностью давлений в полостях, которое изменяется дважды за оборот вала.

После достижения внутренней мертвой точки в цилиндре начнется процесс сжатия и силы, действующие на кольцо, изменяют свое направление, и кольцо вновь переместится к задней стенке канавки. В уплотнении может быть несколько таких перемещающихся или вибрирующих колец. Обратное возвращение массы газа из уплотнения тронкового поршня обычно не превышает 20% от внешних утечек за цикл.

"Добавить комментарий"

Еще...