Винтовые компрессоры

Воздух в винтовом компрессоре сжимается за счет работы двух асимметричных (червячных) винтов (роторов). Один из этих винтов приводится в движение электродвигателем. Второй винт вращается за счет первого в противоположном направлении. Воздух попадает в пространство между винтами, где смешивается с маслом. Образовавшаяся воздушно-масляная смесь "проталкивается" по спирали по направлению к выходу. По мере прохождения между винтами воздух сжимается в несколько раз. Таким образом, винтовой воздушный компрессор относится к группе объемных насосов с внутренним сжатием.

Рисунок 2. Винтовой блок в разрезе. Видны вал, винтовая пара, и мощные подшипники.

На самом деле винтовой блок является главным, но не единственным элементом винтового компрессора. Помимо винтового блока в компрессоре есть такие элементы, как масляный контур, масляные резервуар, сепаратор, фильтры, теплообменники, несколько клапанов различного назначения, термостат, осушитель (только в моделях со встроенным осушителем), а также автоматика, которая управляет процессом сжатия воздуха.

Посмотрим на внутреннее расположение элементов винтового компрессора:

Рисунок 3. Внутреннее устройство винтового маслозаполненного компрессора.

Путь воздуха в компрессоре:

1. Воздух попадает внутрь винтового компрессора через фильтр
2. Затем проходит через клапан регулирования подачи воздуха. При открытом положении клапана компрессор сжимает воздух, а при закрытом положении клапана компрессор работает в режиме холостого хода.
3. После клапана воздух попадает в винтовой блок, где смешивается с маслом. Образовавшаяся воздушно-масляная смесь сжимается и от этого сильно нагревается. На выходе из винтового блока установлен термодатчик, который выключит компрессор при очень высокой температуре смеси (свыше 100-110 °C). Если масло будет слишком горячим, то станет слишком текучим и перестанет защищать винтовую пару от трения.
4. После винтового блока сжатая воздушно-масляная смесь попадает в масляный резервуар. Более тяжелое масло стекает вниз, а воздух поднимается дальше вверх.
5. Теперь воздух попадает в сепаратор. Он еще недостаточно чистый, в нем остаются масляные примеси. В сепараторе воздух окончательно очищается от масла (остаточно содержание масла составляет 1-3 мг масла на 1 м3 сжатого воздуха.
6. После сепаратора воздух проходит через клапан минимального давления. Он необходим для поддержания давления в масляном резервуаре не менее 3,5-5 бар, чтобы обеспечить непрерывную циркуляцию масла в режиме холостого хода компрессора. Помимо основной функции клапан минимального давления одновременно играет роль обратного клапана. При холостом ходе компрессора или при выключенном состоянии он не позволяет воздуху из напорной магистрали попасть обратно в компрессор.
7. После клапана минимального давления воздух проходит через теплообменник. В моделях с воздушным охлаждением вентилятор обеспечивает интенсивность теплообмена, в результате воздух охлаждается.
8. Воздух проходит через осушитель, где из него удаляется влага. Этот пункт актуален только для моделей небольшой мощности со встроенным ресивером и осушителем. Большинство моделей винтовых компрессоров не имеют встроенных осушителей.
9. Сжатый воздух, очищенный и охлажденный, покидает компрессор и попадает к конечному потребителю.

Путь масла в компрессоре.

Большинство винтовых компрессоров маслозаполненные. Есть и безмасляные модели, которые очень высокотехнологичны и весьма дороги (см. подробнее ниже под заголовком "Виды винтовых компрессоров"). Пока же разберем схему циркуляции масла в стандартных масляных моделях.

1. На входе в винтовой блок образуется некоторое разрежение, что заставляет масло из масляного контура поступать в винтовой блок.

2. Воздушно-масляная смесь покидает винтовой блок и попадает в масляный резервуар. Здесь большая часть более тяжелого масла остается в резервуаре, а воздух уходит дальше по своему воздушному контуру.

2а. Часть масла "путешествует" вместе с воздухом и дальше и отделяется от него в сепараторе. Из сепаратора это масло попадает обратно в масляный контур, предварительно пройдя через обратный клапан и фильтр.

3. Из масляного резервуара масло доходит до терморегулирующего вентиля. Этот вентиль должен поддерживать масло при оптимальной температуре. Пока масло не достигнет температуры + 70-75 °C вентиль пускает масло по "малому кругу", то есть обратно в винтовой блок.

3а. Если масло становится горячим, терморегулирующий вентиль пускает масло по "большому кругу", то есть оно перед попаданием в винтовой блок проходит через теплообменник. Тот же самый вентилятор, который охлаждает воздух, одновременно обдувает и теплообменник с маслом. Масло охлаждается. Задача терморегулирующего вентиля следить за поддержанием оптимальной температуры масла (+80-90 °C).

Почему холодное масло нельзя пропускать через теплообменник? Зачем требуется усложнение конструкции и разделение "малого" и "большого" масляного контуров? Дело в том, что холодное масло может способствовать выпадению влаги из воздуха и попаданию этой влаги в масло, в результате ухудшатся смазывающие способности последнего. Поэтому при старте компрессора необходим как можно более быстрый прогрев масла.

4. Масло проходит через фильтр и соленоидный клапан и снова попадает в винтовой блок. Цикл завершается.

Винтовые компрессоры занимают прочную нишу в приложениях сжатого воздуха. В силу особенности конструкции они имеют некоторые преимущества перед поршневыми. Они меньше шумят, меньше вибрируют, выдают сжатый воздух равномерно (а не порциями). Впрочем, последнее преимущество условно, ведь поршневые компрессоры обычно используются в паре с ресиверами, который полностью решает вопрос пульсаций сжатого воздуха.

1. Содержание масла на выходе из винтового компрессора меньше, чем у поршневого. У винтовых моделей содержание составляет 1-3 мг на 1 м3 сжатого воздуха. У поршневых компрессоров европейского производства выхлоп масла 7-12 мг/м3, а у отечественных поршневых компрессоров и некоторых китайских выхлоп может достигать 30-50 мг/м3.

На самом деле конкуренция между винтовыми и поршневыми компрессорами условна. И тот и другой тип конструкции находят своего потребителя.

Поршневые компрессоры имеют производительность от 100 до 1500 литров в минуту, винтовые от 300 до 40 000 литров в минуту и более. Поршневые агрегаты имеют низкую стоимость, но требуют частого технического обслуживания (каждые 300-500 часов работы). Чаще всего поршневые компрессоры используются в частных гаражах, а также в профессиональных приложениях (автосервисы, лаборатории и др.). Винтовые воздушные компрессоры стоят дороже, но требуют технического обслуживания лишь раз в 2-4 тысячи часов (иногда 8 тысяч), поэтому востребованы на промышленных предприятиях, где работают в круглосуточном режиме.

Можно выделить следующие разновидности винтовых компрессоров:

1. По наличию масла в рабочей камере:

- Масляные

- Безмасляные

В большинстве выпускаемых винтовых компрессорах сжимаемый воздух смешивается с маслом в винтовом блоке, а затем масло отделяется в сепараторе. Несмотря на используемую внутреннюю систему маслоотделения в выходящем сжатом воздухе содержится небольшое количество масляных паров. Отказ от масла очень сложен, поскольку масло выполняет роль смазки и уплотнителя, а также позволяет избежать перегрева винтового блока. В мире существует лишь небольшое количество производителей, которые умеют делать винтовые блоки, работающие без масла: CompAir, Atlas Copco, GHH-Rand, Ingersoll-Rand, Boge и некоторые другие.

Безмасляные винтовые компрессоры дороги, поэтому сфера их применения гораздо уже. Безмасляные компрессоры используют в приложениях, где не допускается даже малейшее содержание масла в сжатом воздухе.

Рисунок 4. Винтовой блок безмасляного компрессора Atlas Copco. Здесь ведущий и ведомый винт непосредственно не соприкасаются друг с другом и с корпусом, что исключает трение и позволяет обойтись без масла. Для синхронизации вращения винтов рядом с подшипниками установлены специальные шестерни. Шестерня ведущего винта заставляет вращаться шестерню ведомого.

2. По создаваемому давлению

• Компрессоры низкого давления (от 1 до 5 бар);
• Компрессоры среднего давления (7-13 бар);
• Компрессоры высокого давления (20-40 бар).

3. По способу передачи энергии двигателя на вал компрессора:

• С прямым приводом (Direct drive);
• С ременным приводом (Belt Drive).

Вал двигателя и компрессора в конструкции прямого привода находятся на одной оси и соединены посредством муфты.

Вал двигателя и компрессора в конструкции ременного привода расположены параллельно друг другу. На концы валов надеты шкивы, а на шкивы одет ремень. Именно ремень передает крутящий момент с двигателя на компрессор.

Конструкция прямого привода надежнее, жесткая муфта долговечней гибкого ремня, но зато ременная конструкция позволяет экономить место, поскольку компрессор и двигатель расположены рядом, а не друг за другом. Как правило, ременные компрессоры несколько дешевле (и соответственно популярнее) своих собратьев с прямым приводом за счет меньших габаритов внешнего кожуха компрессора.

Рисунок 5. Слева показан винтовой компрессор с прямым приводом (вал компрессора и двигателя соединены через муфту), а справа показан винтовой компрессор с ременным приводом.

4. По наличию внешнего кожуха

• Открытые
• Закрытые

В открытых компрессорах внутренние элементы не закрыты в единый кожух. Это позволяет сэкономить место при установке, удешевить конструкцию и облегчить замену элементов при ремонте. Однако большинство компрессоров все же закрытые. Внешний кожух защищает элементы компрессора от попадания пыли и посторонних предметов, а также снижает уровень шума.

Рисунок 6. Пример винтового компрессора открытого исполнения. Эта модель вдобавок еще и передвижная (на колесах).

5. По стационарности установки:

• Стационарные компрессоры с электрическим приводом.
• Передвижные компрессоры, которые могут быть как с электрическим, так и с дизельным приводом.

Стационарные компрессоры монтируются на пол (фундамент) и не перемещаются в течение срока службы. Передвижные компрессоры обычно устанавливаются на тележки или шасси и могут мобильно перемещаться по мере необходимости. В текущем разделе мы говорим только о стационарных компрессорах. Передвижные компрессоры мы выделили в отдельную категорию нашего каталога.

Анимация очень наглядная, в ней показано, как воздух попадает внутрь корпуса через входной патрубок (Inlet), сжимается и выходит через выходной патрубок (Outlet). Входящий воздух обычной температуры условно показан синим цветом. По мере его сжатия он нагревается и условно становится красным.