Винтовые компрессоры устройство принцип действия. Принцип работы винтового компрессора

Спиральный компрессор - устройство для сжатия газа (воздуха или хладагента), за счет уменьшения его объема в камерах, образованных поверхностями спиралей.

Спиральные компрессоры используются в системах кондиционирования, охлаждения, нагрева, в автомобилях, в криогенных и холодильных системах, в качестве вакуумных насосов.

Устройство и принцип работы спирального компрессора

Существует несколько типовых конструкции спиральных компрессоров .

Наиболее распространенный вариант - использование двух спиральных элементов , установленных с эксцентриситетом. Один из этих элементов подвижный, другой нет.

Конструкция компрессора с одной подвижной спиралью

Спиральный компрессор показан на рисунке.

В герметичном корпусе размещен электродвигатель, который приводит во вращение вал. В верхней части корпуса установлена неподвижная спираль. На валу установлена подвижная спираль, которая может перемещаться по направляющим совершая сложное движение относительно неподвижной спирали.

В результате перемещения между спиралями образуются камеры (карманы), объем которых при дальнейшем движении уменьшается, и как следствие газ находящийся в этих карманах сжимается.

Принцип работы такого компрессора показан в ролике:

Также встречаются компрессоры с двумя подвижными спиралями , совершающими вращательное движение относительно разных осей. В результате вращения спиральных элементов также образуются камеры, объем которых при вращении уменьшается.

В большей степени от представленных выше вариантов отличается компрессор, в котором жесткий элемент выполненный в форме архимедовой спирали воздействует на гибкую упругую трубку . По принципу работы такой компрессор схож с перистальтическим насосом. Такие спиральные компрессоры обычно заполнены жидкой смазкой для снижения износа гибкой трубки и отвода тепла. Такие компрессоры часто называют шланговыми .

Динамические клапаны

В спиральных компрессорах клапан на всасывании не нужен, т.к. подвижная спираль сама отсекает рабочую камеру от канала всасывания. В линии нагнетания спирального компрессора может устанавливаться динамический клапан, который не допускает обратного потока и, как следствие, вращения спирали под действием при выключенном двигателе. При этом следует учитывать, что динамический клапан создает дополнительное сопротивление в линии нагнетания.

Динамические клапаны устанавливают в линии нагнетания средне- и низкотемпературных компрессоров Copeland, предназначенных для холодильной техники.

Достоинства спиральных компрессоров

Спиральный компрессор работает более плавно , и надежно, чем большинство других объемных машин. В отличие поршней, подвижная спираль может быть идеально уравновешена, что сводит к минимуму вибрацию.

Отсутствие мертвого объема в спиральных компрессорах обуславливает повышенную объемную эффективность.

Спиральные компрессоры обычно обладают меньшей пульсацией чем с одним поршнем, но большей чем много поршневые машины.

Спиральные компрессоры имеют меньше движущихся частей , по сравнению с поршневыми, что, теоретически, обеспечивает их большую надежность.

Спиральные компрессоры, как правило, очень компактны и не требуют пружиной подвески, вследствие плавной работы.

Недостатки спиральных компрессоров

Спиральные компрессоры чувствительны к загрязнению перекачиваемого газа, т.к. мелкие частицы могут оседать на поверхности спирали, что не позволит обеспечить достаточную герметичность рабочей камеры.

Спирального компрессора должен вращаться только в одном направлении.

Регулируемые спиральные компрессоры

Долгое время спиральные компрессоры выпускались без возможности регулировки производительности. При необходимости уменьшить подачу использовалось частотное регулирование приводного электродвигателя, либо перепуск части газа из линии нагнетания в линию всасывания.

В настоящее время регулируемые спиральные компрессоры производятся компанией Emerson. В этих компрессорах может изменяться расстояние между осями вращения спиралей, при необходимости это расстояние можно выбрать таким, что между спиральным элементами не будут образоваться камеры, а значит подача компрессора будет рана 0. Чередуя два различных рабочих состояния (холостой и рабочий ход) с помощью электронного управления, можно добиться требуемой производительности.

На сегодняшний воздушные компрессоры представляют собой широкий выбор установок, различающихся между собой по принципу действия, оснащению и устройству, рабочим и другим характеристикам. Каждый тип оборудования имеет свои преимущества и особенности, которые делают выбор той или иной установки наиболее оптимальным. Однако при этом наиболее популярными являются , устройство которых обеспечивает высокую эффективность и надежность работы оборудования.

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.

Так, 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.

Принцип действия компрессоров винтовой группы

Действие винтовых компрессоров заключается в следующем. Посредством системы привода, двигатель приводит в движение винтовую пару, в которую затем поступает уже очищенный воздух. Далее происходит смешивание воздуха с маслом, которое необходимо для создания между роторами масляного клина. При вращении роторов происходит уплотнение зазора между нами и корпусом, что приводит к сжиманию воздуха и повышению давления. Кроме того, в данном процессе масло также выполняет функцию смазывания рабочих механизмов компрессорной установки.

После сжатия, смесь из масла и воздуха поступает в специальную емкость, где воздух отделяется от масла, затем охлаждается и подается на выход компрессорного оборудования. После охлаждения масло проходит дополнительную фильтрацию, а затем вновь подается в блок с винтами.

Подобное устройство и принцип работы винтовых компрессоров обеспечивает наличие в оборудовании высоких рабочих и технических показателей, позволяющих значительно повысить эффективность работы и производительность установки. Благодаря этому винтовые компрессоры сегодня являются одними из наиболее часто используемых установок, которые могут применяться как в промышленном масштабе, так и на небольших производствах.

Установки винтового типа могут быть различны в зависимости от типа привода, использованию масла, количеству ступеней и другим параметрам, исходя из которых необходимо выбирать наиболее оптимальный тип установки.

Винтовой компрессор является наиболее эффективным инструментом для организации пневмосистем, поскольку имеет компактные размеры, небольшую массу, низкий уровень шума и вибрации по сравнению с другими типами агрегатов, предназначенными для сжатия газов и воздуха.

Первое отличие винтовых компрессоров от поршневых заключается в их конструкции. Главное, чем отличаются винтовые компрессоры от поршневых — это механизм сжатия . В винтовых агрегатах применяются роторы с винтообразными зубьями, вращающимися навстречу друг другу. А в поршневых – поршень, который совершает возвратно-поступательные движения внутри цилиндра. Благодаря вышеописанным конструкционным различиям винтовой компрессор имеет небольшой вес и компактные габариты.

Кроме того, отличается способ нагнетания и аккумулирования воздуха . Винтовые аппараты создают постоянный поток воздуха. Поршневые же компрессоры подают воздух импульсами, которые соответствуют по частоте движениям поршня. Поэтому для создания постоянного потока к поршневым аппаратам подсоединяется ресивер.

Преимущества винтовых компрессоров перед поршневыми очевидны.

1. Экономия электроэнергии . Она экономится за счет использования винтовых блоков последних поколений и автоматического управления подачей воздуха. Благодаря этому расход электричества уменьшается приблизительно на 30%.
2. Низкая стоимость обслуживания . В среднем, обслуживание поршневых агрегатов требуется проводить через каждые 500 часов работы. Винтовым же аппаратам нужен осмотр после 4000-8000 часов работы.
3. Длительный срок службы . Компрессоры с винтовым принципом действия способны работать без ремонта несколько лет подряд. Объясняется это отсутствием системы клапанов и наличием простой системы смазки и охлаждения. На винтовую пару агрегата производителем дается гарантия 2 года. Но, как показывает практика, аппараты могут работать без замены винтовой пары 7-8 лет. За это время в условиях предприятия приходится поменять около 5 компрессоров поршневого типа, имеющих аналогичную производительность.
4. Низкая стоимость монтажа и наладки . Как уже говорилось, винтовые агрегаты имеют небольшие размеры и почти не производят шум и вибрацию. Поэтому экономятся средства на монтаж и установку оборудования, поскольку его не требуется устанавливать на фундамент или в отдельное помещение.
5. Отличные технические характеристики . Винтовые агрегаты – это высококонкурентное оборудование, обладающее следующими техническими характеристиками: КПД до 95% (у поршневых аппаратов КПД не достигает 60%); производительность свыше 40 м 3 /мин; выходное давление до 9 кгс/см 2 .

Винтовые компрессоры выбирают множество предприятий России. Так, около 12% расходуемой страной электроэнергии идет на работу именно этих агрегатов. Несмотря на высокую стоимость, купить винтовой компрессор экономически целесообразно. Он обеспечит высокую скорость работы оборудования, минимизирует возможные простои из-за поломок, сэкономит на обслуживании.

Устройство и принцип работы винтовых компрессоров

Основным узлом винтового компрессора является винтовой блок (см. рис. ниже). Он состоит из корпуса (1), в котором расположена винтовая пара (2 и 3).

Роторы в средней части имеют утолщения, на которых нарезан винтовой профиль. Данные винты установлены таким образом, чтобы между ними был зазор в диапазоне от 0,1 до 0,4 мм. Роторная пара устанавливается либо на втулки, либо на подшипники. Синхронизируется вращение винтов с помощью шестерен (4), закрепленных на валах роторов. Чтобы обеспечить герметичность корпуса, он собирается с сальниками и уплотнителями.

Важно! Ведущий винт агрегата имеет выпуклую и широкую форму зубьев, а ведомый – тонкую и вогнутую.

В корпусе компрессора также предусмотрены полости для охлаждения (5), в которые, при необходимости, подается жидкость. Привод компрессора может быть как прямым, так и ременным.

Принцип действия роторного блока заключается в следующем.

Устройство винтового компрессора заметно отличается от устройства поршневого агрегата. Ниже приведена схема винтового компрессора , включающая в себя следующие элементы.

1. Фильтр . Предназначен для очистки атмосферного воздуха, засасываемого в агрегат.
2. Клапан всасывания . Препятствует выбросу масла и воздуха при остановке компрессора.
3. Винтовой блок . Является основным рабочим узлом агрегата, состоящим из винтовой пары, помещенной в корпус. Рядом с патрубком (18) устанавливается датчик термозащиты, выключающий двигатель, если на выходе из винтового блока будет температура выше 105°С.
4. Ременной привод . Предназначен для передачи вращательного движения от двигателя к винтам. Привод состоит из 2 шкивов. Один шкив установлен на валу двигателя, а другой – на ведущем валу винтового блока.
5. Шкивы. От их размеров зависит скорость вращения роторной пары. Шкивы соединяются между собой посредством приводного ремня.
6. Двигатель. Задает вращательное движение ременному приводу, который, в свою очередь, приводит в действие винтовой блок.
7. Масляный фильтр . Предназначен для очистки масла, возвращающегося в роторный блок.
8. Первичный маслоотделитель. В данном узле происходит отделение масла от воздуха с помощью центробежной силы.
9. Маслоотделительный фильтр . Предназначен для вторичной очистки воздуха от остатков масла, то есть более качественной. На выходе из фильтра в воздухе можно обнаружить остаточные пары масла в количестве 1,3 мг/м 3 . Данный показатель для поршневых аппаратов является недостижимым.
10. Предохранительный клапан . Обеспечивает безопасность при работе агрегата. Если в маслоотделителе (8) будет превышено давление, то в работу включится клапан, сбросив его до допустимого уровня.
11. Термостат. Благодаря ему поддерживается оптимальная температура масляного состава. Последний может свободно проходить мимо радиатора охлаждения, пока не достигнет температуры 72°С.
12. Маслоохладитель. В данный резервуар поступает разогретое масло, отделенное от воздуха, для охлаждения до нужной температуры.
13. Воздухоохладитель . Позволяет охладить воздух перед подачей на точки потребления до температуры на 15-20°С выше, чем температура окружающей среды.
14. Вентилятор. Предназначен для охлаждения всех узлов агрегата.
15. Клапан холостого хода . Является электропневматическим и предназначен для управления клапаном всасывания (2).
16. Реле давления . Благодаря ему обеспечивается работа аппарата в автоматическом режиме. В компрессорах последнего поколения вместо реле давления установлена электронная система управления.
17. Манометр . Показывает уровень давления внутри агрегата.
18. Выходной патрубок. Через него сжатый воздух поступает на точки потребления.
19. Приспособление для визуального контроля . Выполнено в виде прозрачного утолщения на трубке. С его помощью можно контролировать процесс возврата масла.
20. Клапан минимального давления . Находится в закрытом состоянии, пока давление не поднимется до 4 бар. Поскольку данный элемент отделяет пневмолинию от компрессора, он выполняет функцию обратного клапана при остановке агрегата или переходе его на холостой режим.

Все перечисленные детали и узлы винтового компрессора помещаются в металлический корпус, покрытый звукопоглощающим составом. В зависимости от фирмы производителя и модели аппарата, его устройство может незначительно отличаться от вышеописанного.

Если подробно рассмотреть принцип работы винтового компрессора , то он выглядит следующим образом (см. рис. ниже).

Режимы работы

Винтовые компрессорные агрегаты, даже самые простые, имеют 5 режимов работы.

1. Пуск . Это режим запуска агрегата, при котором исключается перегрузка электросети. Напряжение подается на двигатель постепенно, благодаря чему он приступает к работе только через 10-15 сек. после нажатия на кнопку включения.
2. Холостой ход. В данном режиме происходит подготовка аппарата к работе с полной нагрузкой. Роторы приводятся в движение двигателем и начинают нагнетать воздух, но на малой мощности.
3. Рабочий режим . В этом режиме наблюдается полноценная работа агрегата, на выходе которого получается сжатый воздух.
4. Режим ожидания . Активируется в момент достижения в системе определённого давления. В режиме ожидания все процессы в компрессоре останавливаются до тех пор, пока давление в системе не снизится до уровня, при котором происходит включение аппарата.

   Совет! Этот режим очень удобен, когда компрессор используется периодически, в течение рабочего дня, поскольку нет необходимости обесточивать агрегат. Его работа лишь приостанавливается на определенный период.

5. Стоп. Данный режим приводит к плавному выключению аппарата. В начале, он переходит на холостой ход, после чего полностью выключается. Благодаря этому режиму уменьшается вероятность поломок и износа деталей вследствие резкого перепада давления или напряжения.

Некоторые модели винтовых компрессоров имеют режим Stop-Alarm . Данный режим включается при возникновении каких-либо неполадок в оборудовании, либо при повышении давления и температуры в агрегате до критических уровней. Режим Stop-Alarm, как правило, срабатывает автоматически. Но для его включения вручную предусмотрена кнопка, размещенная на панели управления аппаратом.

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.

Важно! Выходящий из водозаполненного агрегата воздух не требуется охлаждать, поскольку вода, которая циркулирует в системе, всегда будет иметь температуру окружающего воздуха.

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 м 3 /мин. Высокопроизводительное оборудование, как правило, является стационарным и устанавливается в цехах. Но все же существуют и передвижные винтовые компрессоры, как бензиновые, так и дизельные.

Распространенные неисправности винтовых компрессоров и их устранение

Длительная эксплуатация любого оборудования приводит к тому, что оно требует либо сервисного обслуживания, либо серьезного ремонта. Не являются исключением и компрессоры, основным узлом которых является роторный блок.

Ремонт винтовых компрессоров своими руками вполне возможен в следующих случаях:

• аппарат с трудом запускается;
• компрессор не перезапускается;
• в выходном патрубке агрегата отсутствует сжатый воздух;
• низкая производительность;
• чрезмерный расход масла;
• непроизвольное срабатывание предохранительного клапана;
• отключение аппарата термостатом;
• отключение агрегата прерывателем сети;
• поломка роторного блока;
• повышенное давление.

Аппарат плохо запускается

Причиной того, что агрегат запускается с трудом, может быть низкая температура окружающего воздуха . Запуск компрессора произойдет только после прогрева помещения, в котором он установлен.

Устройство не перезапускается

Данная поломка вызывается плохим закрытием всасывающего клапана . Проблема решается прочисткой клапана. Если данная процедура не решила проблему, то клапан всасывания следует заменить.

Отсутствие сжатого воздуха

Если в выходном отверстии аппарата отсутствует сжатый воздух, то это признак закрытия регулятора. Чтобы устранить неисправность, потребуется проверить работоспособность реле давления. Именно этот узел подает питание на клапан, являющийся электромагнитным, который, в свою очередь, связан с регулятором.

Низкая производительность

Понижение производительности оборудования также связано с закрытием регулятора. В данном случае поломка вызывается засорением последнего. Чтобы производительность аппарата пришла в норму, требуется снять всасывающий фильтр, открыть или демонтировать регулятор, и хорошо прочистить его.

Чрезмерный расход масла или его утечка

Большой расход масла может вызывать сломанный фильтр , установленный в маслоотделителе, или негерметичность уплотнений этого же фильтра. В обоих случаях проблема решается заменой данных деталей.

Важно! Вызвать утечку масла может незакрытый регулятор или чрезмерно повышенное давление в системе. В первом случае следует проверить исправность электромагнитного клапана и регулятора. Во втором — подвергнуть проверке манометр.

Открытие предохранительного клапана

Данная поломка может возникнуть, если фильтр маслоотделителя засорился . Требуется проверить, существует ли перепад давления между масляным сепаратором, то есть его резервуаром и трубопроводом, в котором находится сжатый воздух. Проблема решается заменой фильтра.

Срабатывание термостата

Отключение агрегата термостатом может вызываться несколькими причинами.

1. Высокая температура окружающей среды . Следует обеспечить помещение с оборудованием хорошей вентиляцией, после чего нажать кнопку “reset” и перезагрузить аппарат.
2. Засорение охладителя масла . Требуется прочистить охладитель с применением растворяющей жидкости.
3. Низкий уровень масла. Следует долить необходимое количество последнего.
4. Неисправность термостата . Деталь следует заменить на исправную.

Отключение двигателя прерывателем сети

Срабатывание прерывателя цепи может вызвать низкое напряжение в сети . Следует проверить напряжение и, при его нормальных показателях, перезапустить аппарат, нажав на кнопку “Reset”.

Также прерыватель цепи может сработать при перегреве двигателя . В первую очередь, нужно проверить теплоотвод от электромотора. Если режим отвода тепла не нарушен, то произведите перезапуск оборудования. В случае, когда перезапуск не происходит, следует подождать несколько минут и снова повторить попытку.

Поломка роторного блока

Если обратить внимание на описание роторного блока, которое приводилось выше, то станет понятно, что его ремонт возможно произвести только в случае выхода из строя подшипников . В случае заклинивания роторов ремонт винтовых блоков следует доверить специалистам сервисного центра.

Повышенное давление

Если давление поднимается выше максимально допустимых показателей, то в первую очередь проверяется регулятор . Возможно, нет команды на его закрытие. Убедитесь, что электромагнитный клапан находится в закрытом состоянии. При необходимости, данные детали следует заменить.

Материал подготовлен при участии специалистов https://www.v-p-k.ru/

На рисунке 65 показан чертеж сальникового спирального компрессора маслозаполненного типа.

Основные детали спирального компрессора следующие: вал 1 с эксцентриком 6 , оси которых должны быть строго параллельны и расположены на расстоянии эксцентриситета . Вал вращается в двух опорных подшипниках 7 и 4, находящихся на одной оси. Вместе с валом 1 вращается и эксцентрик 6 вокруг оси вала.

Р
исунок 65 – Продольный разрез спирального компрессора:

1-вал компрессора; 2-сальник; 3-передняя крышка; 4,7,8-подшипники; 5-противовес; 6-эксцентрик; 9-шарик противоповоротного устройства; 10-подвижная спираль (ПСП); 11-неподвижная спираль (НСП); 12-корпус компрессора; 13-задняя крышка; 14-ограничитель клапана; 15- подгоночное кольцо.

Расстояние между осью вала и осью эксцентрика – эксцентриситет –является важнейшим конструктивным параметром компрессора: оно выдерживается с точностью до 0,005 мм, а непараллельность осей – в пределах половины от этого допуска. Эксцентрик 6 соединяется шарнирно (внутренний подшипник скольжения или качения 8) с подвижным элементом 10, состоящим из его платформы (или диска) и спирали. Поскольку собственно спираль и ее платформа составляют одно целое (даже если изготавливаются раздельно), то подвижный элемент 10 называют короче - подвижной спиралью (ПСП).

Другой спиральный элемент 11(другая спираль) – неподвижный (НСП). Она имеет такие же размеры, как и ПСП, но другое направление закрутки спирали. Таким образом, если обе спирали положить на стол платформами, то одна из них окажется правого направления, а другая - левого (закрутка против часовой стрелки). В сечении торцевой плоскостью, перпендикулярной к осям спиралей, они оказываются одного направления (рисунок 66). Неподвижная спираль (ее платформа) закрепляется от проворота в корпусе или крышке компрессора.

Рисунок 66 – Поперечное сечение ПСП и НСП в рабочем положении
радиус основной окружности спирали;
толщина ребра спирали;
эксцентриситет;
площадь ячейки всасывания

Платформа НСП имеет сквозное отверстие А для выхода сжатого газа. Форму и размер отверстия определяют при проектировании СПК.

Если вставить спирали ПСП и НСП одна в другую, то между стенками перьев (или) ребер спиралей образуются ячейки. Некоторые из них замкнутые. Размер ячеек (их объем) при вращении ПСП изменяется.

Вставлять (условно - соединять) спирали нужно таким образом, чтобы центры основных окружностей радиусом находились на расстоянииодин от другого (рис.2) и на одной прямой-оси. Для этого спирали должны быть развернуты на 180 градусов. Тогда спирали, вставленные одна в другую, образуют между ребрами несколько попарно одинаковых серповидных ячеек.

Подвижная спираль не должна вращаться вокруг своей оси. Она должна совершать движение только по определенной орбите (пока только-круговой) радиусом вокруг оси неподвижной спирали, совпадающей с осью вала 1 (см. рисунок 65). Поворот ПСП вокруг своей оси не допускается, этому препятствует противоповоротное устройство (ППУ) (см. ниже).

Рисунок 67 – Взаимное положение спиралей (через
) при перемещении ПСП по орбите:
;
;
;

На рисунке 67 показаны взаимные положении спиралей при перемещении подвижной спирали по круговой орбите через 90 градусов. Цикл всасывания (раскрытие и закрытие внешних ячеек) совершается за один оборот вала 1 компрессора с эксцентриком 6 и ПСП (см. рисунок 65). Затем он повторится.

Ц
икл сжатия и выталкивания газа длится дольше, примерно от 2 до 2,5 и более оборотов в зависимости от угла закрутки спирали и размера окна нагнетания, расположенного рядом с “носиком” НСП (Рисунок 68).

Рисунок 68 – Принцип работы спирального компрессора

Таким образом, теоретическая объемная производительность ступени СПК определяется объемом двух первых 1 и 1’ ячеек всасывания и частотой вращения вала компрессора:

Кольцевое пространство вокруг внешних дуг спиралей и корпусом крышки компрессора образует камеру всасывания СПК (см. рисунок 65).

При установившемся режиме в СПК можно обеспечить равенство давления внутреннего сжатия газа в компрессоре и давления нагнетания, т.е. оптимальный режим компрессора. В этом случае клапан на нагнетании оказался бы излишним.

Но в холодильном компрессоре при меняющихся режимах температур, а значит, и давлений клапан на окне нагнетания СПК оказывается полезным, так как исключаются режимы “пережатия”, а кроме того, он выполняет важную функцию обратного клапана.

Принципиально новым узлом для машиностроения является противоповоротное устройство – ППУ для СПК. Это устройство препятствует повороту ПСП вокруг своей оси.

Подвижная спираль, как уже отмечалось,вращается вокруг оси вала компрессора, ведомая эксцентриком.

Применяют ППУ трех видов.

Поводковое ППУ (Рисунок 69).

Рисунок 69 – Поводковое противоповоротное устройство

Устройство состоит из трех одинаковых поводков, расположенных в трех точках через 120 градусов, таким образом, что лучи из этих точек пересекаются с осью вала 1. Одна из цапф каждого поводка шарнирно соединена с подвижной спиралью, другая цапфа того же поводка вращается в опорной плите (дет.3). Все поводки имеют строго одинаковый эксцентриситет, равный эксцентриситету вала 1 и эксцентрика 2. Поводковое ППУ может работать успешно, но оно крупногабаритно, имеет много шарниров (подшипников).

2. Подвижные спирали, использующие идею муфты Ольдгейма (Рисунок 70).

Рисунок 70 – Муфта Ольдгейма с ПСП

1-неподвижное кольцо муфты; 2-подвижное промежуточное кольцо; 3-вращающаяся часть муфты; 4-элементы качения (вып. также роль упорного подшипника).

Муфты Ольдгейма широко применяют в ряде устройств, в частности в подъемно-транспортных механизмах. Но там валы тихоходные, а эксцентриситет измеряется долями миллиметра. В ППУ все наоборот - скорости и эксцентриситеты велики. Тем не менее практика их применения в СПК себя оправдала, так как они встречаются все чаще, а потери на трение, как оказалось, в таких муфтах малы.

Конструктивная схема спирального компрессора включает две спирали, ведущий вал с эксцентриком, корпус и другие узлы, обеспечивающие заданное движение и правильное взаимодействие деталей компрессора.

Рис. 1. Взаимное положение спиралей в момент начала сжатия газа во внешних парных полостях (на нижней проекции подвижная спираль заштрихована)

Каждая спираль (обе спирали одинаковы) одним своим торцом соединена с плитой (или платформой) или изготовлена с ней за единое целое. Свободными торцами спирали вставлены одна в другую (рис. 1) с разворотом 180° между собой. Одна из спиралей неподвижна . Она соединена с корпусом компрессора.

Вблизи ее оси имеется отверстие А для выхода сжатого газа и два отверстия для его входа. Другая спираль – подвижная , имеет хвостовик В, которым шарнирно соединяется с эксцентриком ведущего вала. Оси спиралей смещены на величину ε0, равную эксцентриситету вала, оставаясь параллельными между собой. Между спиралями две (или больше) всегда парные замкнутые полости, объем которых при относительном движении спиралей изменяется.

В положении, показанном на рис.1, две внешние парные полости заполненные газом, две внутренние – соединены с окном нагнетания А.

Подвижная спираль не может вращаться вокруг своей оси. Она должна совершать только орбитальное движение по окружности радиусом ε0, вокруг оси неподвижной спирали (может быть и иная траектория).

Принцип действия спирального компрессора иллюстрирует рис. 2, на котором показаны взаимные положения спиралей при перемещении подвижной спирали по круговой орбите через 90º.

Рис. 2. Последовательное положение спиралей через 90° перемещения подвижной спирали по орбите в процессах всасывания, сжатия и выталкивания газа

Цикл всасывания (раскрытие и закрытие внешних ячеек) совершается за один оборот вала компрессора с эксцентриком. Затем он повторяется.

Цикл сжатия и выталкивания газа длится дольше, примерно от 2 до 2,5 и более оборотов в зависимости от угла закрутки спирали и размера окна нагнетания, расположенного рядом с «носиком» неподвижной спирали.

Рабочий цикл спирального компрессора совершается за один оборот (проход) подвижной спирали по своей орбите.

Следует обратить внимание на то, что одновременно с процессом сжатия и последующим вытеснением газа в одной паре полостей проходит образование новой пары полостей , их постепенное заполнение свежим газом в течение всего цикла, затем процесс повторяется.

Важны узлы компрессора, обеспечивающие орбитальное движение подвижной спирали и предотвращающие ее поворот вокруг собственной оси. Эти устройства имеют различное конструктивное оформление. В качестве противоповоротного устройства применяются: муфта Ольдгейма, поводковое, шестеренчатое и другие устройства.

Орбитальное движение подвижной спирали предъявляет специфические требования к конструкции упорного подшипника, который, помимо его прямого назначения, в ряде случаев может выполнять функции устройства, удерживающего спираль от вращения вокруг своей оси.

Классификация спиральных компрессоров проводится по конструктивным признакам и подразделяются на:
– вертикальные и горизонтальные по расположению вала. В горизонтально расположенных спиральных компрессорах, например, у транспортного кондиционера с параллельным расположением вала спирального компрессора и продольной оси транспортного средства, труднее обеспечить надежную работу системы смазывания компрессора;
– герметичные, бессальниковые и сальниковые. Применение того или иного типа зависит от назначения и условий эксплуатации, а также от рода сжимаемого рабочего вещества;
– одинарные и сдвоенные. Одинарные имеют по одной подвижной и неподвижной спирали, а у сдвоенных имеются две неподвижные спирали, между которыми установлены две подвижные, имеющие общий эксцентриковый вал;
– одно, двух-, и многоступенчатые с различным расположением ступеней по отношению к двигателю;
– с клапаном на нагнетании и без него;
– маслозаполненные, сухого сжатия и с впрыском охлаждающей, в том числе быстро испаряемой жидкости (например, холодильного агента).

По типу профиля и числу заходов спиралей различают:
– спираль Архимеда;
– эвольвентную спираль;
– одно, двух-, и многозаходные спирали;
– с кусочно-окружными элементами.

Основное требование к геометрии спиралей – обеспечение образования замкнутой полости во всем диапазоне изменения угла поворота ротора от начала до конца процесса сжатия.

По функциональному назначению спирали подразделяются на спиральные компрессоры общего назначения, холодильный, вакуумный насос, детандер (расширительная машина – спиральная турбина).

Область применения спиральных компрессоров по давлению нагнетания ориентировочно лежит в пределах 0,7…1,2 МПа, а по производительности 6…100 м³/ч. Наиболее широко они используются в системах кондиционирования воздуха на автомобильном и железнодорожном транспорте и в жилых помещениях, в торговом холодильном оборудовании, в тепловых насосах и водоохлаждающих холодильных машинах. Наиболее распространенная область применения спиральных компрессоров находится в диапазоне холодопроизводительностей от 1 до 20 кВт.