Винтовой компрессор: устройство, принцип действия и работы

Винтовые компрессоры в холодильной технике

Добрый день, Уважаемый читатель.

В прошлый раз я выкладывал статью о внутреннем устройстве небольшого ледового катка. Было задано много вопросов касательно компрессора, примененного на данном объекте — его типе и принципе действия. Поэтому в продолжении той темы я решил подготовить небольшую зарисовку про компрессоры, примененные на этом объекте. Тем более на данный момент — это относительно малоизвестная для не специалистов технология. Речь далее пойдет о винтовых компрессорах, а точнее о винтовых компрессорах в холодильной технике. Также данный тип компрессоров получил широкое распространение в системах сжатого воздуха. Винтовые компрессоры современной контрукции появились относительно недавно — примерно в середине 20-го века. С точки зрения классификации винтовые компрессоры относятся к классу компрессоров объемного принципа действия, и далее к группе ротационных компрессоров с двумя или более осями.

Винтовые компрессоры, как правило, содержат два ротора с сопрягающимися профилями, изготовленных в форме спиралей.Роторы вращаются внутри статора. Вращение этих подвижных узлов перемещает хладагент в газовой фазе со стороны всасывания к стороне нагнетания, при этом впадины охватывающего ротора выполняют роль цилиндра, объем которого по мере постепенного приближения к выходу сокращается, а зубья охватываемого ротора обеспечивают сжатие потока. По мере того как сжатый хладагент нагнетается в контур, с верхней стороны винта вновь происходит всасывание, что обеспечивает непрерывность потока. Набольшее распространение получили двухроторные винтовые компрессоры — здесь в основном рассматриваются именно эти компрессоры. Однороторные компрессоры не получили применения.Компания Carrier, пожалуй, единственные из известных мне производителей, кто серийно изготовляет трех роторные винтовые компрессоры. В холодильной технике преимущественно применяются маслозаполненные винтовые компрессоры. Масло явлется уплотнителем для зазоров межу винтами, а также служит для отвда тепла от нагретых деталей, для смазки трещихся деталей и прочее. В системах сжатого воздуха получили распространение как масляные, так и безмасляные компрессоры.

В системах сжатого воздуха принцип абсолютно такой же. Винтовые компрессоры очень хороши для достижения высокого перепада давления и высокой степени сжатия.

Рисунок 1 — Винтовая пара (слева — ведущий, справа — ведомый ротор, красный — нагнетательный порт)

Особенностью винтовых компрессоров является наличие золотника для регулирования производительности, которая регулируется, как правило ступенчато: 25-50-75-100%.

В холодильной технике винтовые компрессоры получили широкое распространение в крупных системах кондиционирования (водоохлаждающие установки — чиллеры), в низкотемпературных системах относительно больших мощностей. Также данные компрессоры нашли широкое применение в транспортных системах.

В мире насчитывается не так много производителей винтовых компрессоров для холодильной техники и систем кондиционирования — это Carrier, Gea Grasso, Bitzer — это наиболее известные бренды на российском рынке.

Рисунок 2 — Открытый винтовой компрессор GEA Grasso — очень хорошо видна винтовая пара. Подразумевается установка внешнего привода (электродвигателя)

Применение винтовых компрессоров в холодильных системах обеспечивает более высокой производительностью данных компрессоров относительно более распространенных поршневых компрессоров и соответственно более низкой стоимостью. Применение винтовых компрессоров наиболее рационально в областях средних и больших производительностей. Хотя в последнее время наблюдается активное применение винтовых компрессоров в транспортных системах, хотя они на данный момент являются более дорогими. Также применение винтовых компрессоров крайне оправданно для достижения низких температур, которые могут быть достигнуты только в двухступечатом цикле сжатия поршневыми компрессорами.

Рисунок 3 — Один из самых распространенных винтовых холодильных компрессоров на Российском рынке — полугерметичных винтовой компрессор Bitzer серии HS. Видно, что винтовая пара и статор расположены в одном корпусе.

Анимационный вид винтового холодильного полугерметичного компрессора Bitzer — именно такие компрессораы получили распространения на ледовых катках:

В настоящее время винтовые компрессоры находят все более широкое применение в холодильной технике.

При написании данного поста использовался «Учебник по холодильной технике» Польманн А.С.

Разновидности винтовых компрессоров

Существующие виды винтовых компрессоров определяют их сферы использования. К примеру, промышленные маслозаполненные агрегаты являются универсальными и широко применяются в различных областях. Но применение безмасляных аппаратов востребовано лишь в тех областях, где требуется высокая степень очистки сжатого воздуха, например, в пищевой, химической и фармацевтической промышленности.

Безмасляные аппараты

Безмасляный компрессор при сжатии воздуха в качестве смазки и охлаждения роторного блока масло не использует, поэтому сжатый воздух, произведенный аппаратом, не содержит частиц смазочных материалов. Безмасляные агрегаты делятся на 2 подвида: винтовые сухого сжатия и водозаполненные.

Винтовые компрессоры сухого сжатия оснащаются синхронными двигателями, приводящими в движение винты, не контактирующие друг с другом. “Сухие” аппараты имеют меньшую производительность (3,5 бар на 1 ступень), чем маслозаполненные устройства. При подключении второй ступени можно увеличить данный показатель до 10 бар. Но эта мера лишь увеличит стоимость оборудования, которая и так достаточно высока по причине использования спаренных двигателей.

Водозаполненные аппараты являются самыми технологичными и сочетают в себе все достоинства как безмасляных, так и маслозаполненных устройств. Водозаполненные аппараты способны на силу сжатия до 13 бар (на 1 ступень). Также данные модели являются экологичными, поскольку вместо масла для охлаждения в них используется обычная вода. Поскольку вода имеет высокую теплоемкость и теплопроводность, то, независимо от уровня сжатия воздуха, она нагревается максимум на 12°С за счет дозированного впрыска. Из этого следует, что при уменьшении тепловой нагрузки на детали агрегата увеличивается их срок службы, а также повышается безопасность и надежность оборудования в целом.

Водозаполненные компрессоры практически не имеют отходов при работе. Также данные аппараты дешевле в производстве, поскольку в их конструкции отсутствуют масляные фильтры и емкости для отработанного масла.

Маслозаполненные аппараты

Масляный агрегат, как уже говорилось выше, имеет 2 ротора, один из которых, является ведущим. Для предотвращения физического контакта между роторами, внутрь блока впрыскивается масло. Оно должно подаваться со скоростью 1 л/мин на 1 кВт мощности аппарата. Масляные компрессоры имеют шумность в пределах 60-80 Дб.

По мощности двигателя компрессоры могут быть от 3 до 355 кВт, а по производительности – от 0,4 до 54 м3/мин. Высокопроизводительное оборудование, как правило, является стационарным и устанавливается в цехах. Но все же существуют и передвижные винтовые компрессоры, как бензиновые, так и дизельные.

Устройство компрессоров винтового типа

Установки, входящие в группу винтовых компрессоров, могут быть различны, но при этом они имеют оснащение, общее для всех видов оборудования данного типа. Входящие в состав винтовых компрессоров устройства выполняют определенные функции, обеспечивая при этом эффективную и бесперебойную работу установок.

В состав винтовых компрессоров входят следующие составляющие:

Воздушный фильтр всасывающий – выполняет функцию очистки воздуха, который попадает в компрессорную установку. Зачастую состоит из двух элементов – предварительного фильтра, находящегося в том месте, где происходит забор воздуха, а также фильтра, расположенного перед входным клапаном.
Входной клапан – обеспечивает регулировку производительности всего компрессора и оснащен пневматическим управлением. Регулирование работы установки обеспечивается переходом клапана на холостой ход.
Винтовой блок – представляет собой один из главных рабочих элементов установки винтового типа. В состав винтового блока входят два, расположенных параллельно по отношению друг к другу ротора, одни из которых имеет вогнутый винтовой профиль, а другой – выпуклый. Именно наличие роторов отличает устройство винтовых компрессоров и принцип их действия от установок других типов.
Ременная передача – представляет собой два шкива, задающих необходимую скорость вращения роторов. Один из шкивов расположен на винтовой паре, а другой находится на двигателе.
Электродвигатель – обеспечивает вращение винтовой пары посредством муфты, редуктора или же ременного привода.
Масляной фильтр – проводит очистку масла, прежде чем оно возвращается в блок с винтами.
Отделитель масла – бак, изготовленный из металла, в середине которого расположена перегородка с отверстиями. Сила инерции, возникающая при закрутке потока, приводит к очистке воздуха от масла специальным фильтром.
Термостат – обеспечивает наиболее оптимальный температурный режим. При низких значениях температуры масла, термостат пропускает его, не затрагивая при этом охлаждающий радиатор, что позволяет ускорить получение наиболее оптимальной температуры в установке.
Охладитель масла – выполняет функции охлаждения масла, после того, как оно отделилось от сжатого воздуха.
Концевой охладитель воздуха – охлаждает до необходимого уровня сжатый воздух перед тем, как он подается потребителю.
Предохранительный клапан – обеспечивает безопасную работу устройства и предотвращает его поломку. Данный клапан срабатывает при значительном повышении уровня давления в маслоотделительном баке, которое может вывести из строя все оборудование.
Система трубопроводов – имеет различные трубопроводы для воздушно-масляной смеси, воздуха и масла.
Реле давления – устанавливает параметры и режим работы установки в зависимости от показателей уровня давления. Так, при достижении максимального значения давления, работа винтовых компрессоров переходит на холостой ход. При снижении давления установка вновь начинает работать.
Блок управления – необходим для электронного управления и контроля над работой оборудования, а также позволяет передавать на дисплей все необходимые рабочие параметры и характеристики компрессора.
Вентилятор – предназначен для забора воздуха в компрессор с одновременным охлаждением рабочих деталей и элементов оборудования.

Комплектация винтовых компрессоров

Изобретение винтового компрессора относится к 1934 году. Со временем разработка претерпела определенное количество изменений, но основной принцип действия остался прежним.

Стандартная комплектация любого винтового компрессора (основные элементы):

Фильтр воздушный: устанавливается в месте всасывания воздуха компрессором из окружающей среды; воздушный фильтр необходим для очистки всасываемого воздуха от пыли, грязи и других твердых частиц. Поэтому, качество воздушного фильтра и его своевременная замена влияет, прежде всего, на работу винтового блока и всасывающего клапана;
Фильтр масляный: необходим для очистки от грязи, пыли, нагара, стружки и других видов загрязнений из компрессорного масла; качество масла играет одну из важнейших ролей в работе всей системы; масляные фильтры увеличивают срок службы: подшипникам, роторам, корпуса винтового блока, всей масляной системы;
Фильтр сепаратор (маслоотделитель/маслоуловитель): различают два вида — накручивающийся и погружной; устанавливаются на выходе из компрессора; служат для уменьшения количества масла и влаги в получаемом сжатом воздухе; сепараторы используют сочетание различных технологий: фильтрующей, центробежной и гравитационной;
Фильтры относятся к быстроизнашиваемым, расходным материалам. Своевременная замена фильтров (и масла) напрямую влияет на срок службы работы компрессора и качество получаемого сжатого воздуха; Как правило, регламент замены фильтров на винтовых компрессорах составляет от 2000 до 4000 моточасов, либо раз в год, что наступит быстрее;

Всасывающий (впускной) клапан: основное назначение — это всасывание воздуха из окружающей атмосферы через воздушный фильтр и подача в камеру винтового блока, переключение между режимом нагрузки и холостого хода. Клапан работает в двух положениях: открыт, либо закрыт. За открытие и закрытие всасывающего клапана отвечает контрольный блок (иногда называют пневмоблоком);
Винтовой блок: состоит из двух роторов — ведущего и ведомого, которых и называют «винтами»;
Двигатель: электрический или внутреннего сгорания (дизельный/бензиновый); запускает всю систему и приводит в движение винтовой блок;
Привод (тип передачи): различают ременный или прямой; электродвигатель соединяется с винтовым блоком через ременную передачу: на вал ведущего ротора и двигателя устанавливаются шкивы, соединенные ремнем (или ремнями); либо через прямой привод (в этом случае двигатель может быть соединен различными вариантами прямого привода: через редуктор, через гибкую муфту или непосредственно, когда винтовой блок находится на одном валу с двигателем); устанавливается определенное передаточное число;
Маслобак: емкость, в которой находится компрессорное масло, циркулирующее по всей масляной системе;
Термостат: определяет температуру масла; осуществляет переключение контуров охлаждения (малый контур и большой, идущий через радиатор);
Клапан минимального давления: поддерживает давление, необходимое для циркуляции масла и работы сепаратора;
Трубопроводы и РВД (рукава высокого давления): необходимы для циркуляции масла, сжатого воздуха и воздушно-масляной смеси;
Предохранительный клапан: срабатывает при превышении давления в системе:
Вентилятор: основные функции заключаются в охлаждении и направлении воздушного потока;
Масляный радиатор: охлаждает масло;
Концевой охладитель / воздушный радиатор: доводит сжатый воздух до оптимальной температуры перед выдачей из компрессора;
Контроллер (блок управления): различают несколько видов: на основе прессостата (аналогичный устанаваливается на поршневых компрессорах, выполняет фукнцию старт/стоп, механическая настройка нижнего и верхнего порога давления), электромеханический (кнопка «вкл/выкл», манометр, в некоторых случаях индикация ошибок в виде лампочек, настройка давления также осуществляется механическим путем), микропроцессорное управление с ЖК дисплеем на разных языках (индикация рабочих параметров и ошибок, электронная настройка компрессора, сигнализация времени проведения ТО, синхронизация с другим компрессором, удаленное управление и визуализация, установка расписания работы компрессора и многое другое, в зависимости от модели и производителя);
Встроенная система воздухоподготовки (опционально): подразумевает наличие встроенного ресивера, осушителя, магистрального фильтра, циклонного сепаратор (влагоотделителя);

Что представляет собой винтовой компрессор: устройство и принцип работы

Это устройство для сжатия и подачи воздуха или других газов. Переходим к назначению деталей.

Составные части

В общем случае это:

всасывающий фильтр — пропускает через себя и очищает воздух перед блоком сжатия;
впускной клапан – переключает режим работы компрессора нагрузка/холостой ход;
электромотор – приводит в движение роторы блока сжатия;
винтовой блок – два параллельно ориентированных ротора (один выпуклый, другой вогнутый);
привод – сцепляет винтовую пару с двигателем, отвечая также за вращение с заданной скоростью;
охладитель масла – снижает температуру масла до заданных значений, не допуская перегрева;
отделитель масла – специальный резервуар (бак), отделяющий масло от сжатого воздуха;
термостат – меняет направление движения масла: малый круг — сразу в винтовой блок; большой круг — через охладитель;
масляный фильтр — очищает масло перед подачей его в винтовой блок;
реле и предохранительный клапан – защищают от поломки, срабатывая при резком повышении давления;
трубопроводы – соединяют все отделы системы, обеспечивая прохождение масловоздушной смеси, масла и сжатого воздуха;
вентилятор – способствует осуществлению забора воздуха, а также выполняет функцию общего охлаждения;
блок управления – осуществляет контроль за работой компрессора в нормальном режиме, оповещение при аварии и настройку параметров;
концевой охладитель – снижает температуру среды, прежде чем выпустить ее из оборудования.

Принцип работы винтового компрессора подробно

Пошагово он выглядит следующим образом:

двигатель запускает роторы, которые с соблюдением ведомости, вращаются по направлению друг к другу;
в результате этого движения атмосферный воздух всасывается через фильтр, в котором очищается от механических примесей;
в винтовом блоке воздух смешивается с маслом, сжимается и попадает в маслобак;
в маслобаке и сепараторе сжатый воздух отделяется от масла и через концевой охладитель поступает на выход установки, а масло после охлаждения поступает обратно в винтовой блок через масляный фильтр.

Процесс сжатия проходит в автоматическом режиме, отличается простотой и эффективностью. И это очередное преимущество и еще одна причина использовать именно рассматриваемое оборудование.

Поршневой компрессор

Один из самых дешевых и менее требовательных типов винтовой техники. Установки, функционирующие благодаря поршням, служат верой и правдой долгие годы, не требуя постоянного технического обслуживания. Отличный выбор, если на вашем предприятии требуется надежная техника, обеспечивающая давление выше 30 атмосфер. Для профилактики после 500 мото-часов работы необходимо проведение сервисного обслуживания. Необходим приезд сервисного инженера, чтобы он проверил сохранность поршней и других компонентов установки.

Однако при всех своих достоинствах такой тип компрессоров постепенно уходит в прошлое. Современные предприятия стремятся сократить уровни шума и вибрации, а поршневая техника, наоборот, создает слишком много звуковых и вибрационных колебаний. Это вариант для тех, кто может себе позволить организацию дополнительного фундамента для одного станка или же выделить специальное помещение для размещения этого устройства.

Винтовой компрессор

Выбор требовательных профессионалов. В основе лежат не шумные громоздкие поршни, а вращающаяся винтовая пара, которая сжимает не сам воздух, а воздушно-масляную смесь.

Полученная смесь заполняет винтовой блок, который состоит из винтовой пары — лопастей, закреплённых на валу электродвигателя.
Готовая, сжатая до требуемого давления смесь, поступает в маслоотделитель, где выделяется непосредственно воздушная масса под давлением, а после этого происходит процесс фильтрации и очистки сжатого воздуха с последующей его подачей потребителю.

Основными преимуществами компрессоров винтового типа являются:

отсутствие ударных и вибрационных нагрузок;
более длительный срок эксплуатации;
низкий уровень шума;
долгие периоды между обслуживанием устройств;
большой показатель времени непрерывной работы.

Удобная, в меру компактная конструкция не только радует глаз, но и экономически выгодна, поскольку устройство требует меньше электроэнергии. Практически полное отсутствие издаваемых шумов позволяет интегрировать данный вид в любое производственное помещение. Его легко разместить в цеху, он не будет докучать шумом и вибрацией.

Несмотря на такую видовую сегрегацию, все установки имеют примерно одинаковое устройство, а значит, мы можем уверенно переходить к принципу работы и устройству винтового компрессора.

Что внутри установки?

Большинство моделей, за редчайшим исключением, содержит в себе 20 основных компонентов. О них – прямо сейчас:

Фильтр, предназначенный для очистки воздуха. Изначально в целях качественного функционирования станка стоит провести очистку воздуха, попадающего в фильтр, это поможет избавиться от пыльных и твердых частиц.
Обычно он имеет вид патрона в форме цилиндра, материал изготовления — гофрированная бумага. Установка фильтра возможна и внутри корпуса, и вне его. Фильтр оснащен специальными сетками для некрупного мусора, расположенными на корпусе, а также прежде клапанов;
Регулятор всасывания (другое название – всасывающий клапан), предназначенный для втягивания воздуха в сам винтовой блок.

Специфика моделей такого типа заключается в имеющемся винтовом компрессоре, он располагается у входа во всасывающий клапан, иными словами регулятор всасывания. Благодаря закрывающемуся всасывающему клапану компрессор свободно подвергается переводу в режим действия при отключенной нагрузке, а благодаря его открытию – переводится в работу под ее воздействием.

Вентиль всасывающего клапана представляет собой поворотный либо упорядоченно приходящий в движение диск вместе с уплотнением. В результате воздействия на регулирующую арматуру сжатого воздуха, поступающего из резервуара для масла посредством управляющего соленоидного клапана во внутренний либо внешний пневматический цилиндр, запорный элемент меняет свое положение.

Винтовой компрессор перед запуском нуждается в обязательном закрытии всасывающего клапана, который оснащен каналом малого сечения с механизмом обратного клапана. Это обеспечивает плотность сжатого воздуха с необходимым уровнем давления в ёмкости для масла с таким объемом, которого будет хватать для дальнейшего влияния направляющего пневмоцилиндра на поршень.

Винтовой блок для компрессора – самое нужное звено в функционировании компрессора. Здесь при помощи входного фильтра осуществляется сжатие поступающего воздуха.

Винтовой блок для компрессора

Корпус винтового блока состоит из пары совершающих обороты турбин – ведущей и ведомой. Вращаясь, они обеспечивают перемещение воздушных струй от поглощающей к нагнетающей стороне, при этом объем межтурбинных полостей синхронно снижается, иными словами сжимается.

Схема сжатия воздушных струй в винтовом блоке

Масло, содержащееся в корпусе винтового блока, обеспечивает уплотнение просвета между роторами, кроме этого оно используется при смазке деталей и для теплоотвода, возникающего в момент сжатия воздуха.

Кроме этого винтовой компрессор может иметь безмасляную основу, в таком случае отсутствует уплотняющая жидкость. В данных моделях вместо масла используются водяные впрыскивания в камеру сжатия.

Выигрышные особенности

Учитывая все основные достоинства и недостатки рассмотренных типов холодильных компрессоров, компания BITZER создала новую серию холодильных поршневых полугерметичных компрессоров Octagon, в которой с целью их усовершенствования подвергся модификации ряд существенных параметров, среди которых: плавность хода и шумовые характеристики, КПД, регулируемость производительности, габаритные размеры и масса, стоимость. Шумовые характеристики холодильных поршневых полугерметичных компрессоров серии Octagon с демпфером пульсаций в головке блока цилиндров. Несмотря на исключительную плавность хода, обусловленную конструкционными особенностями холодильных компрессоров этой серии, в отдельных случаях возникали значительные резонансные пульсации в нагнетательных трубопроводах. Как правило, такие пульсации сокращаются до приемлемой величины путем установки глушителей (демпферов) на трубопроводе. Недостаток такого технического решения состоит в том, что на участке нагнетательного трубопровода между демпфером и холодильным компрессором всегда присутствуют значительные пульсации. Полностью избежать негативного воздействия пульсаций давления в системе удалось благодаря новой головке блока цилиндров (рис. 1), где с помощью резонансного канала пульсации гасятся в месте их возникновения.

Сравнение характера пульсаций при стандартной и модифицированной головках блока цилиндров показано на рис. 2.

Стендовое измерение базовых шумовых характеристик поршневого полугерметичного компрессора не показало значительного их улучшения. Однако при работе поршневого компрессора в составе холодильной установки выявлено отчетливое уменьшение шумовых показателей. В связи с этим несколько серийных компрессорно-конденсаторных агрегатов с воздушным охлаждением были дополнительно подвергнуты многократным циклическим испытаниям на шумовые характеристики на расстоянии 1 м по DIN 45635. Затем были сопоставлены результаты испытаний, полученные на холодильном поршневом полугерметичном компрессоре серии Octagon без демпфера пульсаций (ДП), компрессоре серии Octagon с ДП и спиральном компрессоре.

Замеренные звуковые давления могут рассматриваться как типичные для агрегатов с конденсатором воздушного охлаждения. Очевидно снижение шума, которое достигается применением новых головок блока цилиндров (рис. 3). О том, насколько низкими являются эти шумовые характеристики, можно судить по рис. 4.

Холодильный поршневой полугерметичный компрессор серии Octagon с ДП оказывается не просто работающим тише спирального компрессора, но даже находится на уровне шумовых характеристик вентилятора компрессорно-конденсаторного агрегата.

Значительное снижение шумовых характеристик поршневых полугерметичных компрессоров BITZER позволило также достичь универсальности их применения во всех возможных типах установок. Было доказано, что поршневые компрессоры не только не являются более шумными и подверженными вибрациям, чем ротационные, но даже могут превосходить их по этим показателям.