Поиск по сайту
Авторизация
Логин:
Пароль:
Забыли свой пароль?
Наши партнёры

Преимущества винтовых компрессоров

Промышленные и бытовые компрессоры потребляют целых 17 % мирового производства электроэнергии. Их большинство сегодня-поршневые компрессоры. Однако, многие другие виды имеют свою существенную долю. Среди них винтовые компрессоры играют значительную роль из-за своей популярности и относительно больших размеров, а следовательно и большого энергопотребления.
Винтовой компрессор представляет собой вращательную машину объемного действия, которая преобразует механическую работу электродвигателя, турбины или двигателя IC в потенциальную энергию рабочего тела более высокого давления. Они работают на газах, парах или многофазных смесях с фазовыми изменениями, происходящими внутри машины с внутренней смазкой или без нее. Основными пользователями сжатых газов, поставляемых винтовыми компрессорами, являются сегодня строительная, пищевая, технологическая и фармацевтическая промышленность, металлургия и пневматический транспорт. Для оптимальной работы с такими машинами для каждого приложения требуется конкретный дизайн и режим работы. Это простые машины, способные быстродействовать в широком диапазоне рабочих давлений и скоростей потока с высокой эффективностью. Благоприятные особенности процесса винтового компрессора и его конструктивные особенности дают определенные преимущества по сравнению со всеми другими компрессионными машинами. Перед другими это чисто вращательное движение компрессорных элементов, что обеспечивает более высокие скорости и более высокую эффективность на массу компрессорного агрегата, меньший износ и более длительный срок службы машины.

Поэтому винтовые компрессоры (например, компрессор Арсенал: http://gk-sk.ru/kompressory/katalog/zif_Arsenal-seriya-pv/) до пяти раз легче своих поршневых аналогов такой же мощности и их долговечность может быть почти в десять раз выше. В виду того что они и надежны и компактны, следовательно они состоят из большой части всех положительных компрессоров смещения проданных и в настоящее время в деятельности. Однако объемная и адиабатическая эффективность винтовых компрессоров в значительной степени зависит от точности изготовления их роторов, а также других деталей, корпусов и подшипников. Такой точности можно добиться только с помощью специализированных станков.

В настоящее время мировой объем производства компрессоров с принудительным вытеснением составляет более 150 миллионов единиц в год, причем основная часть их требуется для систем сжатого воздуха и холодильного оборудования. В течение последних тридцати лет для многих применений традиционные поршневые компрессоры были заменены традиционными двухшнековыми типами. Основными причинами этого изменения являются разработка улучшенных профилей роторов, которые резко сократили внутреннюю утечку и станки, которые могут изготавливать самые сложные формы до допусков порядка 5 мм по доступной цене. Хотя успехи были достигнуты и в аналитических методах, которые постепенно принимаются разработчиками для более надежного прогнозирования производительности компрессора, их масштаб и точность отстают от современных станков ЧПУ и процедур сборки. Следовательно, улучшенные методы анализа могут создавать, пока еще нереализованные, возможности для повышения производительности и снижения стоимости винтовых компрессоров и, тем самым, дальнейшего расширения диапазона применений, для которых они могут быть подходящими.

Повышение профиля ротора по-прежнему является наиболее перспективным средством дальнейшего совершенствования винтовых компрессоров, и в настоящее время разрабатываются рациональные процедуры как для замены ранее полученных эмпирическим путем форм, так и для изменения пропорций выбранного профиля для получения наилучшего результата для применения, для которого требуется компрессор. К тому же, улучшенное моделирование схем течения внутри машины может привести к лучшему переносу дизайна. Также, более точное определение нагрузок на подшипник и их зыбкости позволяет более лучшие выборы подшипников быть сделанным. Наконец, если искажение ротора и корпуса в результате изменения температуры и давления в компрессоре может быть надежно оценено, можно разработать процедуры обработки для минимизации их неблагоприятных последствий.Здесь рассматриваются современные процедуры моделирования и анализа, разрабатываемые в настоящее время для учета всех этих возможностей, а также примеры того, как их использование привело к совершенствованию конструкций и новых применений.

Как было правильно указано в [1], винтовой компрессор является одной из величайших историй успеха последней четверти двадцатого века, в которой увеличение количества произведенных единиц было впечатляющим, главным образом благодаря развитию передовых технологии изготовления, что ограничивало привлекательность этой машины в первый период ее современного существования.

Винтовые компрессоры, по существу, состоят из пары зацепляющихся винтовых лопастных роторов, установленных в корпусе. Вместе они образуют серию рабочих камер, как показано на рис.1, с помощью видов с противоположных концов и сторон машины. Темные заштрихованные участки показывают замкнутую область, в которой роторы окружены оболочкой и происходит сжатие, тогда как в заштрихованных областях показаны области роторов, которые подвергаются внешнему давлению. Большая заштрихованная область на рис. 1a) соответствует порту низкого давления. Небольшая заштрихованная область между концами валов B и D на рис. 1b) соответствует отверстию высокого давления. Прием сжатого газа происходит через порт низкого давления, который образуется путем открытия обсадной колонны, окружающей верхнюю и переднюю поверхности роторов. Воздействие пространства между лопастями ротора на всасывающее отверстие, так как их передние концы проходят через него, позволяет газом заполнять проходы, образованные между ними и корпусом. Дальнейшее вращение приводит к отключению порта и постепенному уменьшению захваченного объема в каждом проходе до тех пор, пока задние концы проходов между роторами не будут открыты в выпускном отверстии высокого давления. Затем жидкость течет через него при приблизительно постоянном давлении.


Рис. 1. Основные компоненты винтового компрессора (a-вид спереди и сверху, b-вид снизу и сзади)


Для эффективной работы между двумя роторами и между роторами и корпусом должна быть сформирована линия контакта. Длина контактной линии между роторами изменяется в зависимости от угла поворота и должна поддерживаться по всей рабочей камере, образованной между двумя лопастями и корпусом. Между выступом обсадной колонны и роторами, который проходит вдоль длины обсадной колонны, возникает небольшой зазор, образуя «пробой», через который газ сжимается или расширяется. Целью дизайнера является выбор профилей для лопастей ротора, которые максимизируют площадь потока между ними, сводя к минимуму площадь обдува, длину линии уплотнения и силы контакта между мужским и женским роторами. Хотя принцип винтового компрессора известен уже более 100 лет, только с момента разработки профиля SRM «A» в 1973 году, который соответствовал этим критериям намного лучше, чем любой из его предшественников, винтовые компрессоры начали коммерчески жизнеспособный.

Механическая конструкция таких машин относительно проста в том, что движущиеся части состоят только из двух роторов, вращающихся в своих подшипниках. Они могут поэтому работать надежно на быстрых ходах. Филировать и молоть профиля высокой точности теперь позволяют роторы быть изготовленным с зазорами interlobe 30-50 m на хозяйственной цене. Следовательно, внутренняя утечка далеко чем в более предыдущих машинах этого типа.  Следовательно, они и компактны и эффективны и, в добавлении, они могут работать в широком диапазоне рабочих давлений и расходов потока.

Винтовые машины используются сегодня для различных применений как в качестве компрессоров, так и для расширителей. Их геометрия может варьироваться в зависимости от количества лепестков в каждом роторе, основного профиля ротора и относительных пропорций каждого сегмента лопасти ротора. Из этого следует, что нет универсальной конфигурации, которая была бы лучшей для всех приложений. Следовательно, подробный термодинамический анализ процесса сжатия и оценка влияния различных конструктивных параметров на производительность более важны для получения наилучших результатов от этих машин, чем от других типов, которые могут быть использованы для одного и того же приложения. Поэтому набор четко определенных критериев, определяемых процедурой оптимизации, является предпосылкой для достижения наилучшего дизайна для каждого приложения. Такие рекомендации также необходимы для дальнейшего совершенствования существующих конструкций винтовых машин и расширения их диапазона использования.

Винтовые компрессоры в обычном коммерческом использовании сегодня имеют основные роторы, наружные диаметры которых колеблются от 75 до 620 мм. Они обеспечивают от 0,6 м3/мин до 600 м3/мин сжатого газа. Нормальные отношения давления, достигнутые на одном этапе, равны 3,5:1 для сухих компрессоров и до 15:1 для маслонаполненных машин. Разность давлений в нормальном режиме составляет до 15 бар, но максимальные значения иногда превышают 40 бар. Как правило, для приложений с воздушным сжатием, наполненным маслом, объемный КПД этих машин теперь превышает 90%, тогда как удельные мощности, которые зависят как от размера, так и от производительности, были уменьшены до значений, которые считались недостижимыми лишь несколько лет назад.

Использованные источники

[1] Fleming, J.S.; Tang, Y.; Cook, G.: The Twin Helical Screw Compressor, Part 1: Development, Applications and Competetive Position, Part 2: A Mathematical Model of the Working process, Proceedings of the IMechEng, Journal of Mechanical Engineering Science, Vol 212(1998), p 369

[2] Sakun, I.A.: Vintovie kompresorii (Screw Compressors), Mashinostroenie Leningrad, 1960

[3] Andreev, P.A.: Vintovie kompressornie mashinii (Screw Compression Machines), SUDPROM Leninngrad, 1961

[4] Amosov, P.E. et al: Vintovie kompresornie mashinii Å Spravochnik (Screw Compression Machines-Handbook), Mashinstroienie, Leningrad, 1977

[5] Rinder. L.: Schraubenverdichter (Screw Compressors), Springer Verlag, New York, 1979

[6] Konka, K-H.: Schraubenkompressoren, VDI-Verlag, Duesseldorf, 1988

[7] OÇNeill, P.A.: Industrial Compressors, Theory and Equipment, Butterworth-Heinemann, Oxford, 1993

[8] Arbon, I.M.: The Design and Application of Rotary Twin-shaft Compressors in the Oil and Gas Process Industry, MEP London, 1994

[9] Peng, N.; Xing, Z.: New Rotor Profile and its Performance     Prediction of Screw Compressor, International Compressor Engineering Conference At Purdue, 1990, 18

[10] Tang, Y.; Fleming, J.S.: Obtaining the Optimum Geometrical Parameters of a Refrigeration Helical Screw Compressor, International Compressor Engineering Conference at Purdue, 1992, 213

[11] Stosic, N.; Hanjalic. K.: A General Method for Screw Compressor Profile Generation, Proc. XVIII Conference on Compressor Engineering at Purdue, 1996, 157

[12] Zhang, L.; Hamilton, J.F.: Main Geometric Characteristics of the Twin Screw Compressor, International Compressor Engineering Conference at Purdue, 1992, 213

[13] Rinder, L.: Schraubenverdichterlaufer mit Evolventen- flanken, Proc. VDI Tagung "Schraubenmaschinen 84" VDI Berichte Nr. 521 Dusseldorf, 1984

[14] Litvin, F.L.: Teoria zubchatiih zaceplenii (Theory of Gearing), Nauka Moscow, second edition 1968, also Gear Geometry and Applied Theory Prentice-Hill, Englewood Cliffs, NJ, 1994

[15] Stosic, N.; Hanjalic, K.: Development and Optimization of Screw Machines with a Simulation Model, Part I: Profile Generation, ASME Transactions, Journal of Fluids Engineering, Vol 119(1997), p 659

[16] Stosic, N.; Smith, I.K.; Kovacevic, A.; Aldis, C.A.: The Design of a Twin-screw Compressor Based on a New Profile, Journal of Engineering Design, Vol 8(1997), 389

[17] Venu Madhav, K.; Stosic, N.; Kovacevic, A.; Smith, I.K.: The Design of a Family of Screw Compressors for OilÅFlooded   Operation, IMechE Conference on Compressors and Their Systems, London, September 2001.

[18] McCreath, P.; Stosic, N.; Kovacevic, A.; Smith, I.K.: The Design of Efficient Screw Compressors for Delivery of Dry Air, IMechE Conference on Compressors and Their Systems, London, September 2001.


SCREW COMPRESSOR: A STRONG LINK IN THE DEVELOPMENT CHAIN

Nikola Stosic, Ian K. Smith, Ahmed Kovacevic