Винтовой маслозаполненный компрессор с золотниковым регулятором производительности
SCREW OIL-FILLED COMPRESSOR WITH SPOOL CAPACITY CONTROL

Изобретение относится к области компрессоростроения, а именно к винтовым маслозаполненным компрессорам с золотниковым регулятором производительности.
Известен винтовой маслозаполненный компрессор с золотниковым регулятором производительности, содержащий корпус, состоящий из блока цилиндров и торцевых крышек, установленные в корпусе ведущий и ведомый роторы, напорную полость, золотник со шпоночным пазом с установленной в нем шпонкой, подводящий масляный канал и отводящие масляные каналы для подвода масла в рабочую камеру блока цилиндров, при этом подводящий масляный канал выполнен в нижней части блока цилиндров и соединен со шпоночным пазом золотника, а отводящий масляный канал выполнен в виде отверстий, соединяющих шпоночный паз золотника с рабочей камерой блока цилиндров. [GB 1370100 А, опубл. 09.10.1974, F04C 18/16].
В данном решении подводящий масляный канал, соединенный со шпоночным пазом золотника, выполнен на стороне нагнетания, по отношению к шпонке данный канал расположен со стороны напорной полости под соответствующим торцевым окном нагнетания золотника. В данной зоне на элементы золотникового регулирования производительности действуют максимальные нагрузки от давления газа, сжимаемого в парных полостях, образованных поверхностями расточек блока цилиндров, торцевых крышек и винтовыми поверхностями сопряженных впадин роторов. При вращении роторов объем отсеченных от всасывания парных полостей сокращается в направлении к нагнетательному окну, что приводит к плавному увеличению давления в парной полости по длине профильной части ротора. Процесс заканчивается вытеснением газа в момент соединения парной полости с торцевым окном нагнетания золотника и блока цилиндров, где появляются дополнительные нагрузки, вследствие роста давления при поступлении из нагнетательного патрубка газа с более высоким давлением. Данные нагрузки - один из источников вибрации, приводящий к потере устойчивости золотника при перемещении в процессе регулирования производительности. Кроме того, недостатком размещения подводящего масляного канала на стороне нагнетания блока цилиндров является необходимость установки дополнительной стенки в камере нагнетания блока цилиндров. Данная стенка необходима для сохранения подвода масла при регулировании производительности путем перемещения золотника и исключения попадания масла в камеру нагнетания. Данная стенка по форме повторяет наружную поверхность золотника, что сохраняет «герметичность» шпоночного паза для течения в нем масла, однако создает гидравлическое сопротивление на пути движения потока газа высокого давления. Также при регулировании производительности в зоне стенки будет присутствовать проблема прорыва значительной величины газа ввиду большой протяженности щели из нагнетательного канала, ввиду отсутствия уплотнений между относительно движущимися частями.
Кроме того, в известном решении, отводящие масляные каналы для подвода масла в рабочую камеру блока цилиндров выполнены в верхней части золотника и выходят на поверхность в месте сопряжения расточек корпуса блока цилиндров. Эта зона является местом концентрации напряжений, поэтому выполнение в ней отверстий не является технологичным и может привести к снижению надежности работы компрессора.
В известном решении еще одним недостатком отводящих масляных каналов для подвода масла в рабочую камеру блока цилиндров, влияющим на рабочие процессы, является их размещение со стороны торцевого окна нагнетания золотника. Это ухудшает условия смазки по длине роторов со стороны всасывания блока цилиндров при полной загрузке компрессора, а также при регулировании производительности, поскольку в крайнем положении золотника отверстия частично или полностью перекрываются, что приводит к нарушению условия равномерного отвода теплоты от роторов и корпуса. Также увеличивается необходимое для впрыска масла давление, что, соответственно, требует определенного выполнения трубопроводных коммуникаций.
Наиболее близким техническим решением является винтовой маслозаполненный компрессор с золотниковым регулятором производительности, содержащий корпус, состоящий из блока цилиндров и торцевых крышек, установленные в корпусе ведущий и ведомый роторы, напорную полость, золотник со шпоночным пазом с установленной в нем шпонкой, подводящий масляный канал и отводящий масляный канал для подвода масла в рабочую камеру блока цилиндров, соединяющий шпоночный паз золотника с рабочей камерой блока цилиндров. [RU 89637, опубл. 10.12.2009, бюл. №34].
В данном решении масло по внутреннему каналу входной втулки поступает в канал штока золотника и далее из общей полости золотника через единственный выходной канал масло поступает в блок цилиндров. Таким образом, подводящий канал образован отдельными конструктивными элементами, которые для своего крепления в корпусных деталях требуют использования множества крепежных элементов, а также уплотнительных элементов, предотвращающих утечки. Сами детали, образующие подводящий масляный канал, имеют высокую точность и, соответственно, высокую трудоемкость при изготовлении, их сборка требует проведения множества сборочных операций, что увеличивает стоимость компрессора. Наличие крепежных и уплотнительных элементов также увеличивает данную стоимость. Кроме того, подвод масла к блоку цилиндров через единственный канал, представляющий собой отверстие в верхней части золотника, приводит к тому, что масло практически не распыляется и оказывает ударное воздействие о поверхности ротора и как следствие к повышению общего вибрационного состояния и износу поверхности ротора, низкой эффективности охлаждения газа маслом.
Кроме того, в известном решении подводящий масляный канал реализуется через полость торцевой крышки с давлением всасывания компрессора, что при ухудшении свойств уплотнительных элементов в процессе эксплуатации увеличивает вероятность перетока масла в зону низкого давления, которое, в свою очередь, способствует тому, что в тепловом балансе компрессора участвует недостаточное количество масла. Это приводит к повышению температуры компрессора и, тем самым, снижает надежность его работы. При дальнейшей эксплуатации компрессора с ухудшенными свойствами уплотнительных элементов велика вероятность его аварийного останова.
Еще одним недостатком известной конструкции в части организации подводящего и отводящего каналов для впрыска масла в рабочую камеру является расположение штока золотника, являющегося конструктивным элементом подводящего масляного канала, в камере нагнетания, что частично загромождает эту полость. Газо-масляная смесь, идущая к патрубку нагнетания, при прохождении данного препятствия ударяется о шток, что создает турбулентность потока смеси, и, как следствие, приводит к повышению шума и вибрации со стороны нагнетания компрессора и снижению КПД.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение надежности, технологичности и КПД компрессора, снижение шума и вибрации компрессора, а также уменьшение стоимости его изготовления.
Технический результат заключатся в оптимизации подвода масла в рабочую полость блока цилиндров винтового маслозаполненного компрессора.
Технический результат достигается тем, что в винтовом маслозаполненном компрессоре с золотниковым регулятором производительности, содержащем корпус, состоящий из блока цилиндров и торцевых крышек, установленные в корпусе ведущий и ведомый роторы, напорную полость, золотник со шпоночным пазом с размещенной в нем шпонкой, стопор золотника, размещенный со стороны подводящий масляный канал, соединенный со шпоночным пазом золотника и отводящий масляный канал для подвода масла в рабочую камеру блока цилиндров, соединяющий шпоночный паз золотника с рабочей камерой блока цилиндров, подводящий масляный канал выполнен в нижней части блока цилиндров, причем относительно шпонки этот канал выполнен со стороны, противоположной расположению напорной полости, а отводящий масляный канал выполнен с входным участком для отвода масла от шпоночного паза и связанным с ним выходным участком, состоящим по меньшей мере из двух каналов, выполненных на стороне всасывания блока цилиндров, при этом выходы из каналов выходного участка отводящего масляного канала предпочтительно направлены на ведомый ротор компрессора.
Выполнение подводящего масляного канала в нижней части блока цилиндров, по отношению к шпонке со стороны, противоположной расположению напорной полости, позволяет осуществить подвод масла в радиальном направлении через шпоночный паз золотника со стороны всасывания блока цилиндров, исключив при этом необходимость использования дополнительных конструктивных элементов для подвода масла, а также их элементов крепления и уплотнения, и позволяет освободить нагнетательную полость от загромождающих ее элементов. Также преимуществом размещения подводящего масляного канала со стороны всасывания является уменьшение величины действующей на золотник силы, ввиду сокращения протяженности подводящего канала, и смещение воздействия этой силы в динамически более устойчивую зону.
Выполнение отводящего масляного канала с входным участком для отвода масла от шпоночного паза и связанным с ним выходным участком, выполненным на стороне всасывания блока цилиндров в виде по меньшей мере двух каналов, позволяет организовать эффективное распыление масла в рабочей камере компрессора при любых режимах его загрузки, что минимизирует вибрационные явления при ударе потока масла о поверхности зубьев роторов в блоке цилиндров. Использование 2-х и более каналов на выходе их отводящего масляного канала позволяет уменьшить размер капель распыляемого масла, что повышает поверхность теплообмена между масляными каплями и газом, следовательно, интенсифицируется охлаждение газа маслом. Также это способствует лучшему удерживанию капель масла в газе без резкого осаждения на поверхности деталей и равномерному их распределению в рабочей полости, что улучшает уплотнение зазоров маслом по всей длине рабочей полости.
Выполнение выходов из каналов выходного участка отводящего масляного канала в расточке корпуса под ведомый ротор компрессора и, таким образом, направление выходов этих каналов на ведомый ротор является наиболее предпочтительным решением с точки зрения организации эффективного распыления масла в блок цилиндров, поскольку окружные скорости и действие газовых сил на ведомом роторе меньше в сравнении с ведущим ротором.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где: на фиг.1 представлен предлагаемый винтовой маслозаполненный компрессор с местным разрезом в области золотникового регулятора производительности, на фиг.2 - разрез А-А фиг.1, на фиг.3 - выносной элемент Б фиг.2, на фиг.4 - разрез В-В фиг.3.
Винтовой маслозаполненный компрессор с золотниковым регулятором производительности содержит корпус с каналами для всасывания и нагнетания газа, состоящий из блока цилиндров 1 и крышек 2, 3. В корпусе установлены ведущий и ведомый роторы 4, 5, находящиеся в зацеплении своими зубчатыми поверхностями и вращающиеся на опорных подшипниках, и золотниковый регулятор производительности, включающий золотник 6, с установленным с одной его стороны стопорным элементом 7, а с другой стороны соединенный штоком 8 с гидроприводом 9. Золотник 6 имеет паз 10, в который входит шпонка 11, закрепленная на эксцентриковом пальце 12, что дает возможность регулировать зазоры при сборке. Длина паза 10 обеспечивает свободный ход золотника 6 при регулировании производительности. В нижней части блока цилиндров 1 выполнен подводящий канал 13, сообщенный с пазом 10. В золотнике 6 со стороны размещения стопора 7, что соответствует стороне всасывания блока цилиндров 1, выполнен отводящий канал 14, сообщающий рабочую камеру 15 блока цилиндров 1 с пазом 10. Канал 14 состоит из 3-х участков (см. фиг.3): входного участка 16, промежуточного горизонтального участка 17, и выходного участка 18, выполненного в виде не менее, чем двух каналов, например каналов 19, 20, соединяющих промежуточный участок 17 с рабочей камерой 15. Промежуточный участок 17 является технологическим и обеспечивает смещение выходного участка с верхней поверхности золотника 6 от зоны концентрации напряжений (зоны сопряжения двух вогнутых поверхностей (расточек под ведущий и ведомый роторы) блока цилиндров 1). Каналы 19, 20 выполнены в расточке блока цилиндров 1 под ведомый ротор 5 и, соответственно, своими выходами направлены на ведомый ротор 5.
Винтовой компрессор работает следующим образом.
Всасывание газа происходит через канал 21 в верхней части блока цилиндров 1. Далее газ через канал, выполненный в верхней части проставка 22 поступает в полость крышки 2 и далее заполняет рабочие полости 23 роторов, сообщающиеся с всасывающим окном, расположенным в проставке 22 напротив роторов 4,5. После заполнения рабочей полости 23 блока цилиндров 1 и отсечения от всасывающего окна проставка 22 газ сжимается за счет уменьшения объема отсеченной полости и перемещается к окну 24 нагнетания золотника 6. В момент соединения с окном 24 нагнетания золотника 6, ввиду разного давления в рабочей полости и камере нагнетания 25, происходит внешнее сжатие газа, далее газ поступает в камеру нагнетания 25, размещенную внизу блока цилиндров 1 в радиальном направлении.
В процессе работы винтового компрессора масло через подводящий канал 13, выполненный в блоке цилиндров 1 подается в паз 10 золотника 6, откуда далее оно отводится в рабочую камеру 15 блока цилиндров 1 по отводящему масляному каналу 14 через его входной участок 16, промежуточный горизонтальный участок 17 и каналы 19, 20 выходного участка 18. Координаты каналов 19, 20 выходного участка 18 рассчитываются с учетом гарантированного попадания в рабочую полость 15, отсеченную от окна всасывния проставка 22.
Предлагаемая конструкция снимает необходимость отдельного подвода масла к шпоночному соединению (шпонка 11 на эксцентриковом пальце 12), не требует изготовления дополнительных элементов, образующих подводящий и отводящий масляные каналы, а также дополнительных трудоемких операций по установке этих элементов внутри корпусных деталей. Все это снижает стоимость компрессора. Отсутствие уплотнительных элементов в подводящем и отводящем каналах увеличивает надежность компрессора.
Кроме того, предлагаемая конструкция оптимизирует геометрию камеры 25 нагнетания, за счет освобождения от каких-либо конструктивных элементов для подвода масла через нее. Также снижается шум и вибрация со стороны нагнетания компрессора и повышается его КПД.
При применении данной конструкции влияние требуемого условного прохода впрыска масла на габариты компрессора отсутствует, что повышает унификацию изделия. Малая площадь поперечного сечения паза 10 в золотнике 6, где подводится масло, незначительно влияет на размеры поршня гидропривода 9 золотника 6. Перетечки рабочего масла в зону низкого давления определяются размером щели между золотником 6 и корпусом 1 компрессора и, ввиду того, что размеры этих щелей малы, а также, ввиду достаточно больших длин этих щелей, они имеют сравнительно малые значения по отношению к объему подводимого масла (порядка 0,01%, определено расчетным путем). Все перетечки при таком способе подвода масла происходят в рабочую зону компрессора, то есть в полости, в которых протекают соответствующие рабочие процессы (всасывание, сжатие, нагнетание), и, тем самым, данные перетечки не исключаются из теплового баланса компрессора, что, в свою очередь, улучшает показатели надежности и работоспособности компрессора.