Устройство винтового компрессора

В данной статье речь пойдет об устройстве винтовых компрессоров, интерес к которым в последние годы значительно вырос. Это и понятно винтовой компрессор обладает целым рядом преимуществ по сравнению с поршневыми или центробежными компрессорами, традиционно использовавшимися ранее на российских заводах.
Напомним еще раз кратко основные достоинства винтовых компрессоров:
— высокая надежность;
— длительный ресурс работы;
— возможность непрерывного круглосуточного функционирования;
— простота монтажа и подключения;
— сравнительно небольшие эксплуатационные затраты;
— наличие системы автоматического управления;
— низкий уровень шума;
— высокая чистота получаемого сжатого воздуха;
— низкий уровень энергозатрат на куб. метр произведенного воздуха.

Как же устроен винтовой компрессор?

Рассмотрим наиболее распространенный вариант компоновки, представленный на рис.
Воздух через всасывающий клапан (2) и воздушный фильтр (1) поступает в винтовую пару (3), которая является "сердцем" компрессора. Здесь он смешивается с маслом, циркулирующим по замкнутому контуру, и образовавшаяся воздушно-масляная смесь нагнетается с помощью винтового блока в пневмосистему. Разделение масла и воздуха происходит в сепараторе (8,9). Очищенный от масла воздух через охлаждающий радиатор (13) поступает на выход компрессора, а масло возвращается в винтовую пару. В зависимости от температуры оно проходит либо по малому кругу, либо по большому, через масляный радиатор (12). Регулировка осуществляется с помощью термостата (11). Винтовая пара приводится в движение электродвигателем (6), а автоматическое включение и выключение компрессора jсуществляется с помощью реле давления (16).
А теперь более подробно остановимся на составных частях компрессора, их назначении и устройстве.

Основой винтового компрессора является винтовая группа, ее конструкция хорошо видно на рис.3.

Рис. 3 Винтовой блок в разрезе

Рабочий элемент винтовой группы — это винтовая пара, состоящая из двух взаимносцепленных "червячных" роторов. Обычно, ведущий ротор выполнен как винт с четырехзаходной резьбой (витками), а ведомый с шестью (рис. 4).

Рис. 4 Схема работы винтового блока



Такое передаточное число считается оптимальным и сделано для того, чтобы уменьшить нагрузку на ведущий винт. Объем сжатия образуется между витками винтовой группы и корпусом (выделено жирной линией). Полный рабочий цикл сжатия осуществляется за один оборот ведущего винта. Из всего сказанного следует, что данная конструкция может работать только при условии очень точного прецизионного исполнения всех частей рабочего элемента (корпуса и двух взаимно подогнанных роторов).
Такое устройство принципиально отличается от поршневого компрессора, для которого характерно возвратно-поступательное движение поршня в цилиндре, приводящее к повышенному нагреву и возникновению сильных вибраций. Именно поэтому использование промышленных поршневых компрессоров требует закладки массивного фундамента для компенсации вибраций и применения водяного охлаждения, то есть организации системы оборотного водоснабжения с громоздкими градирнями.
Особо следует остановиться на роли масла в винтовом компрессоре, которое выполняет сразу несколько функций:
— создание масляной пленки и обеспечение
зазора между роторами винтовой группы;
— транспортировка воздуха;
— смазка подшипников рабочего элемента;
— отвод тепла.

Для обеспечения температурного режима, масло, циркулирующее в компрессоре, прокачивается через охлаждающий радиатор (12). Дело в том, что при очень высоких температурах, выше 110°С, оно теряет свою плотность, а это грозит заклиниванием роторов винтовой пары. В то же время, при низких температурах масло обладает излишней вязкостью, а, кроме того, холодная воздушно-масляная смесь может привести к образованию конденсата, что ухудшает качество воздуха на выходе компрессора. Для того чтобы температура масла как можно быстрее достигла рабочего значения, используется термостат (11). То есть, существует малый круг циркуляции масла, когда оно, минуя радиатор, возвращается в систему. По мере нагрева, включается большой круг циркуляции через радиатор. Открытие термостата наступает при достижении температуры масла около 70°С.

Воздушно-масляный радиатор (12,13) является двухсекционным, комбинированным. Кроме охлаждения масла он служит и для охлаждения воздуха. Благодаря этому разница между температурой окружающей среды и температурой воздуха на выходе компрессора не превышает 7°С. Это позволяет обеспечить дальнейшую эффективную работу осушителя и всей системы подготовки воздуха.
Радиатор охлаждается проходящим через него потоком воздуха, который нагнетается внутрь компрессора вентилятором (14), установленным на валу электродвигателя (6). Все панели компрессора во время работы должны быть обязательно закрыты, именно так задается максимально эффективное направление движения воздуха, обеспечивающего отбор тепла, вырабатываемого во время сжатия. Возможно вторичное использование нагретого воздуха, например, для обогрева помещений в зимнее время.
Из сказанного выше следует, что винтовая пара может работать только при условии, если она постоянно находится в воздушно-масляной смеси.

Возникающая при этом проблема отделения воздуха от масла решается с помощью следующих элементов
— маслосборный ресивер (8);
— маслоотделительный фильтр (9);
— устройство возврата масла.

Система отделения масла имеет три ступени очистки, что обеспечивает ее максимальную эффективность. В результате остаточное содержание масла в сжатом воздухе не превышает 3 мг/куб. м. На первом этапе отделение происходит за счет центробежных сил и силы тяжести. Воздушно-масляная смесь поступает из винтовой группы по соединительному шлангу в ресивер маслоотделителя (8). Ударяясь о стенки сосуда, более тяжелые частицы масла под воздействием силы тяжести и центробежных сил опускаются на дно. Для второй ступени механической очистки используется разделительная перегородка, расположенная в средине ресивера выше входного отверстия. Воздушно-масляная смесь, поднимаясь, проходит через отверстия в перегородке, на которой так же оседают частицы масла. Оконечным элементом внутренней очистки является фильтр маслоотделителя (9), представляющий собой обычный керамический фильтрующий элемент. Масло, которое задерживается фильтром, скапливается в специальном углублении и возвращается в винтовой блок через соединительную трубку. Для визуального контроля возврата масла в систему на прозрачной трубке сделано утолщение цилиндрической формы (19), Рис. 5. Важность этого элемента заключается в том, что он позволяет проверить эффективность работы маслоотделяющего фильтра, которая снижается при увеличении количества масла.
Маслосборный ресивер (8) снабжен предохранительным клапаном (10), который защищает его от превышения давления.
Очистка масла от загрязнения осуществляется с помощью масляного фильтра (7). Он предотвращает попадание твердых частиц на рабочие поверхности винтов и подшипников.

Перейдем к рассмотрению других функциональных элементов компрессора (Рис. 5).
Рис. 5 Функциональная схема винтового компрессора

Воздушный фильтр (1), устанавливаемый на входе компрессора, предназначен для очистки поступающего воздуха. Он защищает винтовую пару от попадания посторонних частиц и, таким образом, обеспечивает надежность и долговечность работы компрессора. Преждевременное засорение воздушного фильтра может быть причиной перегрева электродвигателя и включения системы аварийной остановки.
Всасывающий клапан (2) служит для предотвращения выброса наружу сжатого воздуха и масла в момент остановки компрессора. Фактически это обычный подпружиненный пневматический клапан, который постоянно открыт при всасывании воздуха. Управление работой всасывающего клапана осуществляется с помощью устройства пневмоавтоматики — электропневматического клапана холостого хода (15). Задача этого устройства заключается в том, чтобы до момента остановки электродвигателя снизить давление внутри компрессора до 2,5 бар. Это позволяет избежать выбросов масла, обусловленных инерционностью всасывающего клапана и неприятных гидравлических ударов, возникающих при внезапной остановке компрессора. Клапан открывает канал, соединяющий через дроссельное отверстие область маслоотделительного фильтра с областью всасывания винтовой пары. Эффективное сечение дроссельного отверстия регулируется на заводе изготовителе так, чтобы в течение заданного времени давление в области всасывающего клапана снизилось до 2,5 Бар. При таком остаточном давлении в системе всасывающий клапан успеет закрыться и приводной двигатель можно выключить.

Еще одним устройством, обеспечивающим работу компрессора в режиме холостого хода, является клапан минимального давления (20). Он закрыт, пока давление внутри компрессора остается в пределах не более 4–5 бар (отсюда и название). Одновременно он выполняет роль обратного клапана, отделяя компрессор от пневмолинии при его остановке или работе на холостом ходу.
Реле давления (16) обеспечивает автоматический режим работы компрессора. При достижении давления в сети заданного максимального значения (например, 10 бар) оно подает сигнал на клапан холостого хода, который срабатывает и переводит компрессор на холостой ход. Когда давление падает до минимального (например, 8 бар), клапан холостого хода по сигналу с реле закрывается, и компрессор вновь начинает нагнетать воздух в пневмолинию. Если же компрессор уже перешел в режим ожидания, то подается сигнал на пуск электродвигателя.
Привод в движение винтовой группы осуществляется электродвигателем (6), посредством ременной передачи (4). Передаточное число, а, следовательно, и скорость вращения винтового блока задается размерами шкивов (5). Чем выше максимальное давление компрессора, тем ниже возможная скорость вращения винтовой группы, тем меньше производительность компрессора.
Система аварийной защиты состоит из двух независимых устройств.
Датчик термозащиты установлен на электродвигателе. При достижении предельных значений потребляемого тока реле срабатывает и двигатель отключается от сети.
Другой датчик установлен в винтовой паре в области выходного патрубка (18). Сигнал с датчика температуры поступает на вход аналого-цифрового преобразователя и выдается на устройство индикации. Если температура на выходе винтовой пары превысит значение 105°С, защита срабатывает и двигатель выключается.

Работу винтового компрессора условно можно разделить на следующие режимы:

Пусковой режим.

Необходим для минимизации нагрузки на сеть в момент пуска компрессора. После нажатия кнопки "START" электродвигатель включается по схеме "звезда", чем обеспечивается минимальная нагрузка на сеть в момент включения и запускается таймер (2 секунды). Спустя установленное время (2 секунды), по команде с таймера, двигатель переключается в рабочий режим, т.е. на схему
"треугольник".

Рабочий режим.

В этом режиме начинается рост давления в системе. Манометр (17), расположенный на лицевой панели показывает давление внутри компрессора, то есть в области между всасывающим клапаном и клапаном минимального давления. Давление в линии можно контролировать по манометру расположенному на ресивере. При первом включении давление внутри компрессора и в линии практически одинаково. При достижении максимального давления, например 10 бар, срабатывает реле давления, и компрессор переходит из рабочего режима в режим холостого хода.

Режим холостого хода.

В отличие от поршневого, винтовой компрессор может работать в режиме холостого хода, длительность которого устанавливается таймером. В этом режиме двигатель компрессора и винтовая группа вращаются, прогоняя воздух по внутреннему контуру компрессора, обеспечивая, таким образом, его эффективное охлаждение. Режим холостого хода является переходным и служит для перевода системы в режим ожидания или полного выключения STOP.
По команде с реле давления включается пневмоэлектрический клапан холостого хода, и запускается реле времени (настроенное, например, на 4 минуты). Клапан холостого хода открывает перепускной канал между всасывающим клапаном и маслоотделительным фильтром. С этого момента давление в линии отличается от давления внутри компрессора, то есть в области между всасывающим клапаном и клапаном минимального давления оно начинает падать. Отверстие перепускного канала регулируется производителем таким образом, чтобы за установленное время (4 минуты) давление упало до минимальной величины — 2.5 бар. В этом случае выключение двигателя происходит безболезненно без выброса масла через всасывающий клапан в область воздушного фильтра. По истечении установленного времени (4 минуты) по команде с реле времени выключается электродвигатель и система переходит в режим ожидания.
Если же давление в линии падает до минимального (например, 8 бар) раньше, чем срабатывает реле времени, то компрессор вновь переходит в рабочий режим.

Режим ожидания.

Данный режим длится до тех пор, пока давление в рабочей магистрали не станет меньше минимального (8 бар). В режиме ожидания система может находиться произвольное время, которое зависит от расхода воздуха в системе. При падении давления в системе ниже минимального срабатывает реле давления, и система вновь переходит в пусковой, а затем и в рабочий режим. Давление внутри компрессора быстро достигает значения давления в магистрали, дальнейший его рост происходит синхронно до перехода в режим холостого хода.

Режим "STOP"

Режим "STOP" используется для штатноговыключения системы. Если система в момент нажатия кнопки "STOP" находилась в рабочем режиме, то она принудительно переводится в режим холостого хода, а затем выключается.

Режим "ALARM-STOP"
В этот режим система может быть переведена нажатием кнопки экстренного выключения, расположенной на панели управления. Используется в случае срочной необходимости выключить электродвигатель. По этой команде электродвигатель отключается без перехода в режим холостого хода.


Как мы видим, ничего сложного в устройстве винтового компрессора нет. Вместе с тем его конструкция отличается надежностью и рассчитана на длительную бесперебойную работу. В данной статье мы рассмотрели только один наиболее общий и часто встречающийся вариант. Он дает достаточно полное представление о работе компрессора, однако следует учитывать, что каждый производитель может вносить дополнительные изменения и дополнения в конструкцию выпускаемого им изделия. Безусловно, надежность и срок службы компрессора зависит от многих факторов: соблюдения условий эксплуатации, своевременного выполнения регламентных работ по техобслуживанию, а, главное, от качества всех компонентов и, в первую очередь, винтового блока, который является самым прецизионным и дорогостоящим элементом системы.
Мы рекомендуем покупать оборудование только известных давно присутствующих на российском рынке компаний, имеющих здесь свое представительство и сервисный центр. Только в этом случае вы можете надолго забыть о проблемах связанных с обеспечением воздухом вашего предприятия.