Винтовые компрессоры: типы, виды и конструкции

Для сжатия и последующей подачи сжатой под давлением воздушной или газовой среды используют любые типы компрессоров или компрессорных устройств. Винтовые компрессоры или, как их ещё обозначают, винтовые воздушные компрессоры, являются подтипом роторных компрессорных устройств. Здесь сжатие среды реализуется с помощью вращения двух роторов. Роторы сцеплены между собой и оснащены винтовыми зубьями.

Компрессоры винтового типа, как было сказано выше, принадлежат классу ротационных компрессорных агрегатов объемного действия, сжатие среды в которых происходит при уменьшении замкнутого объёма. Подаваемый от компрессора сжатый воздух может использоваться в качестве энергии для исполнительных механизмов, для реализации всевозможных технологических процессов с применением сжатого воздуха.

Современной промышленности необходимо производительное и экономичное оборудование высокого качества, в частности, и компрессорные установки, и эта потребность постоянно растёт.

Изобретению разных по конструктивному исполнению компрессорных устройств винтового типа способствовали такие факторы, как высокий спрос и разнообразные условия эксплуатации. Винтовые компрессорные устройства, как и прочее компрессорное оборудование, различны и по показателям производительности, и по множеству других критериев.

Типы винтовых компрессоров

На сегодня изготавливается множество различных типов винтовых компрессорных устройств. Их следует объединить в две группы:

• с одинарным винтом
• с двойным винтом.

Конструкция винтового компрессора с одинарным винтом подразумевает применение центрального ротора, который выполняет роль винта. С обеих сторон ротора размещено по две или по одной шестерне. Центральный винт вызывает вращение роторов, которые осуществляют сжатие поступающих во входное отверстие компрессорного устройства газов или воздуха.

Принцип действия компрессора с одинарным винтом

Двухвинтовой компрессор оснащается двумя роторами: рабочим и приводным или основным и вспомогательным. У компрессоров винтового типа нет клапанов на входе и на выходе. Среда, например, хладагент, всасывается в компрессор с одной стороны, а выход её осуществляется с другой стороны. Вращаясь в разные стороны, ротор осуществляет сжатие газообразного хладагента. Вращению рабочих роторов способствует вращение центрального приводного ротора, конструкция которого выполнена в виде винта. Отсюда появилось и название: «винтовые» компрессоры.

Пары хладагента, поступая во входное отверстие компрессорного устройства винтового типа, охлаждают электродвигатель привода, затем проходят по специальным каналам в полость внешней зоны. Здесь находятся шестерни ротора, сжимающие эти каналы. Выходное отверстие, оснащенное клапаном, выпускает хладагент из компрессорного агрегата.

Сжатие среды, воздуха, других газов или хладагента, происходит у компрессоров данного типа по тому же принципу, что и в первом случае.

Принцип действия двухвинтового компрессора

Различия винтовых компрессоров по типу приводов

В конструктивном исполнении винтовых компрессоров предусматривается применение 4-х видов приводов: ременной тип привода, шестерёнчатый тип привода, прямой и прямой тип с частотным регулированием.

1. Винтовой компрессор, оснащённый ременным приводом, довольно простой в эксплуатации. Это является большим преимущественным фактором, так как нет нужды в привлечении персонала высокой квалификации для его технической инспекции. Данный тип компрессоров обслуживается, как правило, силами предприятия. Другой плюс этой категории компрессоров заключается в возможности его регулировки. Количество оборотов винта компрессорного устройства никак не связано с числом оборотов у двигателя, здесь имеют место вариации передаточного числа. Следует отметить и присущие данному типу компрессоров недостатки:
   • довольно низкий КПД, который напрямую зависит от износа ремня;
   • сильный шум в сравнении с другими видами винтовых компрессорных устройств;
   • быстрый износ ремней вследствие наличия в воздухе пыли.
   Это оборудование рекомендуется для использования на предприятиях, на которых не планируется применять высокие нагрузки на компрессоры и на которых нет повышенного пылеобразования.
2. Для винтовых компрессорных устройств с шестеренчатым типом привода типичен низкий уровень шума и плавный ход привода. У них очень высокий КПД (98% и выше). Высокие рабочие показатели способствуют применению данного типа компрессорного оборудования в непростых условиях, например, на производствах, где высокий уровень пылеобразования, как отделение фасовки цемента или мукомольное отделение. К недостаткам данного типа оборудования следует отнести такие моменты, как невозможную регулировку, дорогостоящие ремонтные работы, ибо для выполнения этих работ требуются знающие специалисты. Они не всегда имеются на предприятии, и привлечение сторонних организаций стоит дополнительных затрат.
   Винтовой компрессор с шестеренчатым типом привода приемлем для предприятий с тяжёлыми условиями эксплуатации. Их можно устанавливать и в небольших мастерских, и на крупных предприятиях с применением сжатого воздуха.
3. Винтовое компрессорное оборудование с прямым приводом отличаются чрезвычайно высоким КПД (99,9%). Оно не реагирует на попадание частиц пыли или прочих примесей внутрь механизмов, не восприимчиво к отягощенным условиям эксплуатации. Плавный ход привода у винтового компрессора является следствием длительного срока службы двигателя. Срок же службы самого компрессорного устройства может составлять десятки лет, не проводя капитальных ремонтов. Как и любой тип компрессоров, винтовой компрессор с прямым приводом имеет и отрицательные моменты, как невозможную регулировку (потому что число оборотов у двигателя такое же, как и число оборотов у компрессорной головки). Максимальное рабочее давление у компрессора изменить невозможно.
   Винтовой компрессор с прямым приводом приемлем для предприятий с тяжёлыми условиями эксплуатации. Его можно устанавливать и в небольших мастерских, и на крупных предприятиях, где применяется сжатый воздух, но не на предприятиях, где необходимо изменять максимальное рабочее давление компрессорного оборудования.
4. Винтовые компрессорные устройства с прямым приводом с частотной регулировкой являются на сегодня одним из самых совершенных типов компрессоров. Этот факт признается как производителями компрессоров, так и потребителями. Они отличаются чрезвычайно высоким КПД (99,9%), их возможно регулировать по производительности и по давлению, они приемлемы для любых условий применения, имеют плавный ход привода. Можно с полным правом констатировать тот факт, что винтовой компрессор данного типа практически лишен недостатков, пожалуй, к их незначительному числу можно отнести лишь высокую цену оборудования, которая не является помехой растущему спросу у потребителей. Винтовые компрессорные устройства с прямым приводом с частотной регулировкой могут быть применены на любом предприятии с использованием сжатого воздуха.

Дизельные и ротационные винтовые компрессоры

Среди прочих типов винтового компрессорного оборудования выделяют дизельные и ротационные винтовые компрессоры.

Дизельные винтовые компрессоры применяют, в основном, при выполнении работ на открытых площадях без доступа к электроэнергии. Питанием для этих компрессоров служит дизельное топливо. Их конструктивное исполнение весьма компактно, они маневренны, их удобно транспортировать, могут функционировать в экстремальных погодных условиях, при повышенных параметрах температуры, влажности, пыли, подкупает их надёжность и высокие качественные показатели. Данные плюсы способствовали тому, что дизельные винтовые компрессоры завоевали такую популярность у пользователей.

Ротационные винтовые компрессоры были освоены в 30-х годах 20 века и давно применяются в различных сферах промышленности. Они также очень популярны среди пользователей, благодаря многим положительным факторам. Этот тип компрессоров имеет свои особенности:

• они оснащаются червячными роторами, которые стабилизируют работу компрессора и обеспечивают его выносливость;
• данный вид сконструирован без клапанов, что уменьшает нагрузку на сам компрессор;
• при увеличении скорости вращения возрастает производительность работы компрессора;
• ротационные винтовые компрессоры имеют винт сечения разнообразной формы;
• ротационные винтовые компрессоры отличны своими маленькими формами.

Другие классификации

Винтовые компрессоры различают также по расположению цилиндров: вертикальные и угловые.

По типу используемого компрессором хладагента их подразделяют на: хладоновые, аммиачные, хлорметиловые и сернисто-ангидридные. Наибольшее распространение имеют сегодня только хладоновые компрессоры (малые).

По условиям применения компрессоры различаются как обычные, эксплуатируемые в обычных условиях, и специальные, которые изготавливаются в тропическом исполнении.

Температура кипения хладагента определяет компрессоры как низко-, средне- и высокотемпературные.

По типу охлаждения различают компрессоры с водяным охлаждением и компрессоры с воздушным охлаждением.

Компрессорное оборудование известно многообразием своего исполнения, отличного по конструкции, производительности, принципу действия и т.д. Отсюда и подразделение на следующие типы по признакам:

• стационарные и передвижные;
• горизонтальные, вертикальные и с наклонным расположением цилиндров;
• одноступенчатые и многоступенчатые;
• одноцилиндровые и многоцилиндровые.

По используемой среде для сжатия компрессоры подразделяются на следующие виды:

• газовые, предназначенные для газа или смеси из нескольких газов;
• воздушные, предназначенные для сжатия воздушной среды;
• специальные компрессоры или многоцелевые, применяемые для сжатия разнообразных газов попеременно;
• многослужебные компрессоры, это тоже специальные компрессорные устройства, предназначенные для одновременного создания избытка давления различных газов;
• циркуляционные компрессоры, предназначенные для обеспечения непрерывной циркуляции в замкнутом контуре.

Обсуждая далее разновидности винтовых компрессоров, следует упомянуть и следующие виды:

1. Маслозаполненные компрессоры: у таких видов компрессорного оборудования один ротор – ведущий, а другой выполняет роль ведомого ротора. Такие виды устанавливаются в рабочих производственных цехах.
2. Безмасляные компрессоры, используемые в таких сферах промышленности, как пищевая, фармацевтическая и химическая. Они делятся на два подвида:
   1. Винтовые компрессорные устройства сухого сжатия. Они оснащаются двигателями синхронного типа. В движение эти двигатели приводятся обоими винтами. Производительность их ниже, чем у компрессоров маслозаполненного типа. У них отсутствует масло, а значит, и отвода тепла у них нет.
   2. Водозаполненные компрессоры, которые по праву считаются самой технологичной моделью. Они сочетают в себе все положительные стороны безмасляных и маслозаполненных видов компрессорного оборудования. Водозаполненные компрессоры имеют оптимальную производительность. Данная модель считается чистой в плане вреда, наносимого окружающей среде. Вместо масла она использует обычную воду, которая не является дорогостоящим продуктом. Также работает внутреннее охлаждение, что делает тепловую нагрузку на компоненты компрессора минимальной. Отсюда увеличивается срок службы компрессорного устройства, его надежность и безопасность в целом, снижение энергозатрат почти на 20%, следовательно, устройство обходится дешевле, ибо в нем нет масляных фильтров, емкостей для отработанной масляной жидкости.

Конструкция и принцип действия стандартного винтового компрессора

При наиболее простой и распространенной компоновке воздух проходит через всасывающий клапан и воздушный фильтр с датчиками загрязнения, поступая в винтовую пару. Винтовая пара, в которой воздух смешивается с предварительно очищенным маслом, представляет собой «сердце» компрессора. Образовавшаяся вследствие этого воздушно-масляная смесь отправляется посредством винтового блока в пневматическую систему. 

Компрессор оснащён сепаратором, в котором идет разделение масла и воздуха. Отдельный от масла воздух поступает в выходную часть компрессора, предварительно проходя через охлаждающее радиаторное устройство. Масло же поступает обратно в винтовую пару. Температура определяет дальнейший ход масла: оно движется или по малому кругу, а если ему следует охладиться, то оно идет через радиатор по большому кругу. Температуру регулирует термостат, который управляет маслом при его прохождении по радиатору. 

Оставшееся в сепараторе масло по патрубку передаётся к винтовому механизму. Электрический двигатель приводит в движение винтовую пару. Компрессор включается и выключается автоматически при помощи контроллера или реле давления. На ниже обозначенной схеме наглядно можно проследить за описанной выше компоновкой стандартного винтового компрессора.

1. Фильтр для всасывания; 2. блок из винтовой пары; 3. Фильтр-отделитель; 4. Фильтр для тонкой фильтрации и очистки;
5. Клапан мин. давления; 6. Фильтр для масла; 7. Термостат; 8. Радиатор для масла; 9. Радиатор для воздуха.

Все виды, типы и модели винтовых компрессоров в своих различных конструктивных исполнениях обладают множеством преимуществ в сравнении с другими видами компрессорного оборудования. И именно благодаря своим преимуществам винтовые компрессоры получили сегодня наибольшее распространение в различных сферах производства. Использование винтового компрессора в сферах производства значительно снижает затраты на выработку сжатого воздуха и тем самым повышает рентабельность всего производства в целом.

Итак, говоря о положительных сторонах винтовых компрессоров, следует упомянуть, в первую очередь, их следующие достоинства:

• они надежны;
• способны длительное время работать без подзарядки (круглосуточно);
• просты в монтаже и подключении;
• небольшие затраты на эксплуатацию винтового компрессора;
• невысокий уровень шума;
• оснащение автоматической системой управления;
• высокие показатели чистоты получаемого сжатого воздуха;
• низкие энергозатраты на кубический метр произведенного воздуха;
• довольно высокая производительность и
• высокой показатель энергосбережений.

Существенным преимуществом из выше перечисленных достоинств винтовых компрессоров считается тот факт, что эти устройства имеют довольно маленькие размеры. Винтовые компрессоры применяются в условиях мелких производств, где имеет место незначительное потребление сжатого воздуха. Этот тип маломощных винтовых компрессорных устройств весьма экономичен, с хорошими показателями надежности в процессе применения и довольно прост в обслуживании.

Современный рынок сбыта компрессорной продукции предлагает сегодня варианты исполнения винтовых компрессоров, которые по характеристикам производительности и мощности соответствуют центробежным или поршневым машинам идентичного назначения.

К недостаткам винтового компрессорного оборудования можно отнести следующие отрицательные моменты:

• конструктивная сложность механизмов регулирования степени сжатия воздуха, получаемого на выходе;
• необходимость оснащения эффективным маслоотделителем и радиатором для масла;
• заниженная производительность (до 20% от максимального значения) влечет за собой снижение эффективности функционирования устройства промежуточного всасывания.

Области применения

Широкое применение нашли сегодня винтовые компрессоры в химической и нефтехимической областях, в области газопереработки, в нефтяной области. Типичный критерий применения состоит в охлаждении углеводородов, фторуглеводородов, аммиачного хладагента. Второй критерий применения данных компрессоров состоит в улавливании паров и газов, в процессе сжатия топливных газов, природного газа, а также газов из органических отходов, хвостовых газов, гелия и СО2.

За двадцать последних лет винтовые устройства стали широко применять в газовой промышленности при использовании их в качестве дожимной техники, для сбора газов, в сфере растворенных в нефти газов.

Винтовые компрессорные устройства применяют, как правило, для большого количества технологических газов, ими осуществляют охлаждение в ходе технологических процессов. В газовой промышленности винтовые компрессоры используются в качестве автономного дожимного оборудования для скважин, дожимного оборудования низкой ступени для поршневых компрессорных машин, для сбора газов с низким давлением. Их используют при сжатии топочных газов, попутного нефтяного газа. В сферах промышленности, имеющих дело с очищенными и сырыми газами, а также кислым газом (с концентрацией H2S и/или CO2 > 80%), для летучих газов (водород) и для газов с большим молекулярным весом и удельной вязкостью до 2.0 их также можно применять.

Винтовые компрессоры безмасляного типа используются при работе с технологическими газами с 1970-х г.г. Винтовые компрессоры маслозаполненного типа находят применение во многих производственных процессах с 1980-х г.г.