Что такое роторно-пластинчатый компрессор?

Роторно-пластинчатый компрессор — это ротационный компрессор объемного типа, то есть его работа, так же как и поршневого и винтового, основана на захвате воздуха и сжатии уменьшением объема. Его конструкция включает статор в виде полого круглого цилиндра и эксцентрично размещенный в полости статора цилиндрический ротор с продольными пазами, внутри которых помещены радиально подвижные пластины (рис. 1). При вращении центробежная сила выталкивает пластины из пазов и прижимает их к внутренней поверхности статора.

   Сжатие воздуха происходит в нескольких полостях, которые образуют статор, ротор и каждая пара смежных пластин и которые уменьшают в объеме в направлении вращения ротора. Впуск воздуха происходит при максимальном выходе пластин из пазов и образовании разряжения в полости максимального объема. Далее на стадии сжатия объем полости постоянно уменьшается достижения максимального сжатия, когда пластины проходят мимо выходного канала и происходит выброс сжатого воздуха (рис. 2).

    Сходство и отличия

   Компрессоры, построенные на основе пластинного и винтового ротационных блоков, весьма схожи и внешне, и по конструкции, предполагают в обоих случаях наличие маслоохладителя, сепаратора масла, клапанов давления, невозвратных клапанов, датчиков, электроники управления и многих других узлов и компонентов. Различие заключается в конструкции «сердца» компрессорной машины — блока сжатия, которою использует тот или иной производитель компрессоров, основываясь на технических и экономических соображениях.


Объемная эффективность

   Соотношение между полезной производительностью и геометрическим объемом называется «объемной производительностью», или «объемной эффективностью». Объемная эффективность характеризуется величиной утечек воздуха из зоны нагнетания в зону низкого давления, которые происходят в блоке сжатия. Эти утечки, означающие потерю энергии, затраченной на сжатие воздуха, должны быть сведены к абсолютному минимуму. Чем меньше внутренние утечки, тем выше объемная производительность компрессорного блока и тем меньше требуется мощности для производства единицы сжатого воздуха.


Утечки вдоль боковой поверхности статора

   Пластины в роторно-пластинчатом компрессоре всегда прижаты к внутренней поверхности статора (рис. 1), что создает почти идеальную герметизацию. В месте сближения ротора и статора, благодаря аккуратной механообработке поверхностей и выставления их взаимного положения, касание по образующим двух цилиндров практически исключает утечки. Достаточно только одной пластины (рис. 4) с плотным прижимом к поверхности статора в секторе между впускным и выпускным каналами, чтобы не допустить утечки воздуха из зоны нагнетания в зону низкого давления.
   Кроме того, большое количество масла, которое впрыскивается внутрь статора для смазки движущихся частей и охлаждения сжимаемого воздуха, обеспечивает также герметизацию зазоров между ротором, статором и торцевыми крышками статора. Масло, которое подается под давлением, проникает в зазоры по всей поверхности максимального сближения ротора и статора в секторе между выпускным каналом и ближайшей пластиной и надежно их герметизирует (рис. 5).


   Ситуация с винтовым компрессором иная. Между крайними точками внешнего профиля винтовых роторов и внутренней поверхностью статора должен быть выдержан обязательный зазор, чтобы предотвратить касание роторами стенок статора и возможное заклинивание роторов. Если не применять особо точной и сложной механической обработки при изготовлении роторно-статорного блока для обеспечения крайне малого зазора, компрессор будет обладать низкой эксплуатационной эффективностью. Таким образом, изначально закладывается неизбежная утечка воздуха со стороны нагнетания в сторону всасывания. Применением прецизионной механообработки эта утечка может быть уменьшена, но не сможет быть устранена полностью (рис. 6).

Утечки по торцевым плоскостям

   В силу своей геометрии винтовые роторы испытывают пол влиянием давления сжатого воздуха осевую нагрузку, вследствие чего зазор между торнами ротора и статора на стороне впуска уменьшается, а на стороне выпуска, где надежность герметизации особенно критична, увеличивается (рис. 7).


   Осевое давление принимается роликовыми подшипниками, которые не дают торцам ротора войти в соприкосновение с поверхностью торцевой крышки статора. Надежность герметизации от утечек в этой области зависит от качества подшипников и точности обработки деталей механического сопряжения.
   В пластинчатом ротационном компрессоре осевые нагрузки, толкающие ротор в сторону торца статора, отсутствуют. Следовательно, отсутствует необходимость в упорных подшипниках, которые бы корректировали осевое положение ротора. Ротор свободен в своем движении вдоль продольной оси, и равенство зазоров с обоих торцов обеспечивается масляной пленкой. Масло подается под давлением через отверстия в торцах статора, предотвращая прямой контакт ротора и статора и обеспечивая эффективную герметизацию от утечек по торцевым плоскостям (рис. 8).


«Свищ»

Наличие пропускного отверстия для воздуха в винтовых компрессорах — это свойство геометрии винтовой конструкции. Это отверстие или «свищ» возникает на месте сближения внешних профилей двух роторов на пересечении двух цилиндров вращения (рис. 9). Воздух под давлением через это отверстие возвращается в область низкого давления. Все производители винтовых блоков постоянно пытаются уменьшить эффект «свища» путем разработки новых винтовых профилей, у которых в критическом месте создавалось бы минимальное пропускное отверстие, однако полностью избавиться от этого недостатка невозможно.

   Частично проблема утечки решается путем повышения скорости вращения винтовых роторов, при этом доля утечек снижается относительно повышенной выдачи сжатого воздуха. Однако повышение оборотов приводит к большему расходу энергии, более скорому износу и снижению эксплуатационного ресурса.
   Очевидно, что у пластинчатого компрессора подобной проблемы нет. Это еще раз свидетельствует о преимуществе роторно-пластинчатой конструкции в отношении эффективности герметизации и объемной производительности.

Энергопотребление

   Это — важнейшая характеристика любого современного воздушного компрессора. В качестве показателя энергопотребления используется количество энергии, необходимое для сжатия единицы объема воздуха до определенного давления (удельное энергопотребление). Производители компрессоров постоянно совершенствуют свою продукцию, стараясь максимально снизить этот показатель. Для потребителя использование энергоэффективного компрессора означает снижение эксплуатационных расходов, основную долю которых составляют расходы на электричество. Через несколько лет эксплуатации суммарная экономия на электроэнергии часто достигает величины затрат на приобретение компрессора.

   В процессе сжатия воздух нагревается и требует охлаждения. По теории, самым эффективным методом снижения энергопотребления было бы осуществление процесса сжатия при стационарной температуре с достаточным отводом тепла. Чем эффективнее охлаждается воздух, тем меньше тратится энергии. Способ и система охлаждения, применяемые в пластинчатых и винтовых ротационных машинах одинаковы: охлаждение осуществляется путем впрыска масла с температурой ниже температуры воздуха внутрь статора на стадии сжатия. Оценка эффективности системы масляного охлаждения осуществляется по показателю температуры масла: чем ниже температура масла, тем выше термодинамический КПД компрессора.
   Важным вкладом в энергоэффективность компрессора является минимизация внутренних утечек, поскольку энергия при утечках теряется полностью. Для компенсации неизбежных, заложенных в конструкцию утечек винтовые компрессоры должны работать на повышенной скорости вращения роторов. При увеличении скорости вращения возрастают механические потери вследствие трения.
   Пластинчатые компрессоры работают на относительно низких оборотах. Отсутствие проблем герметизации у пластинчатого компрессора является его серьезным преимуществом с точки зрения энергопотребления.


   Ротор пластинчатого компрессора вращается со скоростью вращения привода. Все роторно-пластинчатые блоки соединяются непосредственно с валом электродвигателя через упругую муфту без потерь при передаче мощности (рис. 10).

   В винтовых компрессорах для того чтобы повысить обороты роторов относительно скорости вращения электродвигателя, часто используется зубчатая или ременная передача (рис. 11). При этом дополнительные потери мощности очень существенны и могут достигать 5% приводной энергии.


Оценка энергоэффективности

   Показатель удельного энергопотребления, то есть количество энергии, потребное для производства единицы объема сжатого воздуха за единицу времени при определенном давлении на выпуске, является важнейшим показателем для оценки как пластинчатого, так и винтового ротационного компрессора. При сравнении различных компрессоров для расчета этого показателя естественно использовать сравнимые исходные данные. К сожалению, это далеко не всегда возможно.
   Многие изготовители не указывают в технических характеристиках фактическую мощность, потребляемую компрессором, приводя вместо этого только номинальную мощность двигателя. Известно, что все асинхронные двигатели, применяемые для привода компрессоров, характеризуются в числе прочих показателей так называемым коэффициентом перегрузки. Это означает, что двигатель может работать с перегрузкой 15% от номинала неопределенно длительное время без перегрева. Таким образом, потребление мощности приводом компрессора изменяется при различных режимах работы, а при длительной работе в режиме выдачи сжатого воздуха с максимальными параметрами производительности и давления двигатель любого компрессора, как правило, работает с перегрузкой по мощности относительно номинальной до заданного коэффициентом предела.
   Известно также, что в одних компрессорах вентилятор охлаждения установлен на валу двигателя привода, а в других вентилятор оснащен отдельным электроприводом, потребление мощности которым также должно учитываться при определении полной потребности компрессора в энергии.
   Другим необходимым исходным показателя для расчета энергоэффективности компрессора является производительность при нагнетании воздуха. Здесь также важно использовать замеры реальной производительности компрессора как установки в целом. Все устройства, узлы и компоненты внутренней пневмосистемы компрессора необходимые для выдачи сжатого воздуха заявленного качества, установлены на пути прохождения воздуха и в той или иной мере влияют результирующую производительность. Впускной воздушный фильтр ограничивает входной поток воздуха, направляемого в камеру сжатия, а суммарное падение давления на устройствах, уставленных после компрессорного блока, таких как масляный сепаратор, обратный клапан, доохладитель, влагосепаратор и конденсатоотводчик, необходимые соединительные шланги и патрубки может быть весьма значительным. Чем больше падение давления за компрессорным блоком, тем меньше реальная производительность машины, тем больше энергии потребуется, чтобы компенсировать это падение и вывести компрессор на уровень расчетной производительности.

   Оценивая энергоэффективность компрессора следует иметь в виду, что показатель подачи воздуха у некоторых производителей может относиться только к камере сжатия без учета влияния компонентов до и после нее и может быть дополнительно превышен еще на 5% (стандарт ISO 1217 допускает пятипроцентную погрешность при замере производительности), а потребление энергии может быть занижено более чем на 15% игнорированием охлаждающего вентилятора и перегрузочного потребления мощности.
   Безусловно, серьезные производители винтовых компрессоров, выпускающие достойную технику и заботящиеся о репутации своей торговой марки, не прибегают к подобным сомнительным методикам. К сожалению, не мало и таких производителей, которые поддаются этому искушению и замалчивают реальные показатели. Обычно компрессоры этого сорта предлагаются по привлекательно низким ценам.


Надежность и эксплуатационный ресурс

   Надежность роторно-пластинчатого компрессора основывается в первую очередь на простоте конструкции; отсутствии большого количества движущихся частей, подверженных износу и выходу из строя; отсутствии осевых нагрузок; налитой системе смазки впрыском большого количества масла.
   Надежная работа и стабильность рабочих характеристик на протяжении всего срока эксплуатации роторно-пластинчатого компрессора также обеспечиваются особенностями конструкции, которые в частности, позволяют не предъявлять особо жестких требований к размерной точности шовных частей компрессора.
   Это означает, что на производительность компрессора изначально и в процессе его долговременной эксплуатации не оказывают влияние незначительные размерные колебания. Пластины всегда свободно скользят внутри пазов ротора и, плотно прижимаясь к стенкам статора под действием центробежной силы, обеспечивают отличную герметизацию. Даже небольшой износ пластин со временем не меняет этой картины. То же относится к торцевым зазорам между ротором и торцевыми крышками статора, которые всегда надежно уплотняются маслом под давлением. То же справедливо и для баббитовых подшипников скольжения, на которых вращается вал ротора и которые обеспечивают малошумную и надежную работу на протяжении всего жизненного цикла компрессора, практически никогда не требуя замены. Поскольку ротор по диаметру существенно меньше статора, увеличение зазора между валом и подшипниками не является значительным фактором. Смазка подшипников осуществляется подачей масла под давлением без применения специального циркуляционного насоса, что устраняет дополнительный риск, связанный с возможным отказом насоса.
   В винтовом компрессоре, напротив, качество внутренней герметизации очень критично к размерной точности механообработки роторов и статора, к точности центровки, выдерживания минимальных зазоров между роторами и статором, а также к качеству и надежности упорных подшипников, регулирующих торцевые зазоры между роторами и статором.

Источник: Журнал "Техномир"