Устройство и принцип работы винтового компрессора

Устройство и принцип работы 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 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 (4). Очищенный от масла воздух через охлаждающий радиатор (9) 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 (8). Регулировка осуществляется с помощью термостата (7). Винтовая пара приводится в движение электродвигателем, а автоматическое включение и выключение компрессора осуществляется с помощью реле давления.
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 наведущий 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 (9). 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 (7). 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.
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 штатного выключения 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. .