КОМПРЕССОРНЫЙ АГРЕГАТ

Настоящая полезная модель относится к области компрессорного оборудования, а именно к воздушным компрессорам, обеспечивающим сжатым воздухом различных потребителей.
В частности, настоящая полезная модель может быть использована в качестве компрессора пускового воздуха, подающего воздух давлением от 0,7 до 4,0 МПа для запуска основных и/или вспомогательных дизельных двигателей на судах, тепловозах, также для пуска дизель-генераторов, которые могут размещаться в отдаленных регионах, как резервный источник энергии на различных объектах (в больницах, аэропортах и других стратегических объектах).
Спецификой применения пускового воздуха для запуска дизельного генератора является то, что в крышках цилиндров дизельного двигателя, кроме обычных впускных и выпускных клапанов, имеются специальные пусковые клапаны. Для пуска дизельного генератора необходимо открыть вентиль пускового баллона. Сжатый воздух из пускового баллона по трубопроводу поступит в главный пусковой клапан и далее к пусковым клапанам на крышках цилиндров. При запуске они открываются в таком порядке, чтобы входящий через них в цилиндры сжатый воздух толкал поршни и судовой компрессор раскручивал двигатель. Сразу же после пуска судового дизельного генератора необходимо произвести зарядку воздушных пусковых баллонов до давления 30 бар. Нагнетание сжатого воздуха в баллоны и обеспечивают поршневые компрессоры пускового воздуха с воздушным или проточным водяным охлаждением.
Таким образом, к судовым пусковым компрессорам, работающим в специфических морских условиях, с учетом современных требований по автоматизации судов, учитывая развитие автоматизированных управляющих систем, предъявляются следующие требования: надежность работы при качке, крене и вибрации корпуса судна, применение в конструкции сплавов устойчивых от коррозии, полная автоматизация, простота и безопасность использования, возможность удаленного контроля над всеми параметрами работы, низкая шумность, возможность оперативного обслуживания в условиях судна.
Требования Морского Регистра к судовым воздушным компрессорам:
1) На каждой ступени компрессора устанавливается предохранительный клапан;
2) Манометры устанавливают на охладителях каждой ступени компрессора;
3) Краны продувания устанавливают на цилиндрах компрессора и на воздушной полости водоохладителя;
4) Для обеспечения одинакового температурного режима в обеих ступенях компрессора степени повышения давления в них должны быть одинаковыми.
5) Судовая энергетическая установка должна оборудоваться не менее, чем двумя главными компрессорами и аварийным компрессором. (Воронин В.П., Танасов Е.Н. Судовые вспомогательные механизмы. - Одесса: ОМУРМ, 2010. - стр. 122);
Известен компрессор пускового воздуха типа GVKB-14: конечное давление - 2,5 МПа; подача - 240 м3/ч; частота вращения приводного электродвигателя - 730 об/мин. Компрессор вертикальный, двухцилиндровый, двухступенчатый с водяным охлаждением. Нижняя часть картера образует маслосборник. Коленчатый вал компрессора имеет противовесы. Смазочное масло к мотылевым и кривошипным подшипникам поступает через каналы коленчатого вала и шатунов. Давление масла в смазочной системе обеспечивает шестеренный насос. Охлаждается компрессор забортной водой (Воронин В.П., Танасов Е.Н. Судовые вспомогательные механизмы. - Одесса: ОМУРМ, 2010. - стр.118).
Недостатками известного компрессора является:
-
сложность масляной системы, необходимость масляного насоса из-за вертикальной схемы расположения, использования подшипников скольжения в нижних и верхних головках шатунов;
- трудоемкость замены и технического обслуживания комбинированных клапанов 1 ступени;
-
уровень масла контролируется только визуально (щупом-масломером);
- отсутствие защиты от шума и вибрации в связи с вертикальной (неуравновешенной) схемой компрессора;
- водяное охлаждение приводит к зависимости компрессоров от системы водяного охлаждения, необходимость контроля над расходом и температурой охлаждающей воды, возможные негативные последствия коррозионного воздействия охлаждающей морской воды.
Известен двухступенчатый компрессор воздушный поршневой пускового воздуха производства компании Deno Compressors (Нидерланды) серии GA-L2 с воздушным охлаждением, содержащий фильтр-глушитель, электродвигатель, первую ступень, вторую ступень компрессора, охладитель первой ступени, охладитель второй ступени, предохранительный клапан первой ступени, предохранительный клапан второй ступени, манометр первой ступени, манометр второй ступени, водомаслоотделитель первой ступени, указатель уровня масла (официальный сайт компании http://www.denocomp.nl/wp-content/uploads/GA-L2-SERIES-SVOPTIONAL.pdf, публ. 01.02.12 г).
Недостатком является высокий аэродинамический шум в связи с отсутствием шумозащитного кожуха, наличие ручной арматуры для управления процессом сброса конденсата, наличие показывающих приборов с отсечными ручными кранами для замера давления на ступенях компрессора и на выходе, отсутствие приборов с постоянной выдачей текущих значений параметров компрессора, требующие наличие в непосредственной близости обслуживающего персонала для контроля за работой компрессора и осуществления операций открытия/закрытия ручных кранов.
Известен компрессор W140 фирмы «Хатлапа», который имеет следующие характеристики: производительность - 145 м3/ч; конечное давление - 3,0 МПа, частота вращения - 1450 об/мин. Это одноцилиндровый вертикальный компрессор с водяным охлаждением и циркуляционной смазкой. Подшипники скольжения коленвала и шатуна изготовлены из стали, свинцовистой бронзы и баббита. Компрессор содержит картер, предохранительный клапан первой ступени, предохранительный клапан второй ступени, воздушный фильтр, комбинированный (всасывающий и нагнетательный) клапан первой ступени, комбинированный (всасывающий и нагнетательный) клапан второй ступени, поршень, корпус цилиндра, масляный насос для смазки цилиндра, манометр первой ступени, манометр второй ступени, головку цилиндра, маховик, шатун (Судовой механик: Справочник / авт. кол.; под ред. А.А. Фока, - В 3-х т. - Т.2. - Одесса: Феникс, 2010, стр. 371).
Недостатками указанных компрессоров, выявленными при эксплуатации (Судовой механик: Справочник / авт. кол.; под ред. А.А. Фока, - В 3-х т.- Т.2. - Одесса: Феникс, 2010, стр. 393-394) являются:
- некачественная система смазки цилиндров капельными масленками, которые должны регулироваться на подачу 1-2 капли в минуту, при этом подача масла изменяется при изменении температуры и вибрации, что приводит к повышенной маслоподаче, интенсивному нагарообразованию на клапанах, неплотности клапанов, перегреву крышек цилиндров, потере производительности, дымлению крышек цилиндров и необходимости замены комплекта клапанов;
- снижение производительности и выход из строя ступени компрессора при ослаблении крепления и выворачивании заглушек в бобышках поршневого пальца;
- охлаждение забортной водой приводит к забиванию шламом отверстия перехода охлаждающей воды из цилиндра в крышки;
- нажимные болты проставок, прижимающих корпуса клапанов к посадочным местам в крышках цилиндров, могут приотдаваться, что может приводить к образованию трещин в нижней половине корпуса клапана первой ступени, вследствие чего он разрушается и попадает в цилиндр, что приводит к выходу из строя компрессора.
Известен коленчатый вал, предназначенный преимущественно для компрессоров фреона, содержащий собственно вал с коренными и шатунными шейками, щеками и противовесами, при этом противовесы выполнены съемными, а для их крепления на валу в противовесах высверлены два сквозных отверстия, проходящих через тело вала, с резьбовыми участками, в которых встречно установлены фиксаторы (патент РФ №139509, МПК F16C 3/20, публ. 24.04.14 г).
Недостатком известной конструкции коленчатого вала является то, что, несмотря на съемные противовесы, на шатунные шейки вала невозможно смонтировать подшипники качения, и в нижних головках шатуна возможно использование только подшипников скольжения, что усложняет конструкцию шатуна (нижняя головка должны быть разъемной, должен быть предусмотрен канал для подачи масла к верхнему подшипнику шатуна, должны быть приняты меры для предотвращения самоотвинчивания шатунных болтов и т.д.) и предъявляет повышенные требования к смазыванию подшипников скольжения (специальные внутренние каналы для подачи масла, тонкая очистка масла для предотвращения попадания механических частиц в зону трения).
Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий, как минимум два цилиндра, с размещенными и совершающими в них возвратно-поступательное движение, как минимум с двумя поршнями, соединенными соответствующими шатунными тягами с периферийными осями, расположенными на концах, по меньшей мере, одного коромысла, установленного на центральной оси, коленчатый вал, включающий две коренные шейки, установленные в подшипниках корпуса, и, как минимум одну шатунную шейку, соединенную, по меньшей мере, одной шатунной тягой с одной из периферийных осей коромысла, в котором подшипники выполнены в виде подшипников качения, а цилиндры выполнены с возможностью их перемещения вдоль продольной оси цилиндра с возможностью изменения степени сжатия (патент РФ №69566, МПК F01B 7/12, публ. 2007 г.).
Недостатком известной полезной модели, препятствующим его применению в компрессорной технике, является использование коромысел с периферийными осями, связывающих коленчатый вал с поршнями, что вносит дополнительные механические связи и узлы трения, увеличивает габаритные размеры, снижает надежность и ухудшает эксплуатационные показатели в связи с потерями на трение. В компрессорной технике для передачи усилия от коленчатого вала на поршень целесообразно связывать коленчатый вал с поршнями непосредственно через шатунные тяги (шатуны).
Известен сборно-разборный коленчатый вал механизма, содержащий щеки, соединенные с шатунными и коренными шейками, и установленные на шейках подшипники качения, отличающийся тем, что он снабжен ограничителями, установленными между шейками, и пластинами, внутренние поверхности которых гуммированы маслостойким эластичным слоем, при этом в щеках выполнены два отверстия под болты, соединяющие между собой щеки и шейки, а пластины соединены между собой с образованием бесшатунной этажерки, внутри которой размещена шатунная шейка с подшипником качения (патент РФ №2119105, МПК P16C 3/06,публ. 1998 г.).
Недостатками известного коленчатого вала являются:
- высокая трудоемкость изготовления и сборки, в связи с тем, что коленчатый вал разборный, и состоит более чем из 10 деталей, что требует для обеспечения работоспособности конструкции большой точности изготовления и сборки;
- отсутствие в конструкции элементов для надежной фиксации соединительных болтов от самопроизвольного откручивания при вращении коленчатого вала;
- сложность конструкции бесшатунной этажерки, которая функционально заменяет собой шатун, и выполнена разборной и соединяется непосредственно с поршнем;
- применение известного коленчатого вала требует высокой точности изготовления цилиндров (не допускается даже незначительная несоосность цилиндра и поршня, а также необходима регулировка толщин прокладок при сборке коленчатого вала для подгонки положения поршня вдоль оси коленчатого вала, ввиду отсутствия шарнирных элементов для компенсации возможных перекосов);
- для замены подшипников необходима разборка и сборка всего коленчатого вала и бесшатунной этажерки, что требует высокую квалификацию производственного и обслуживающего персонала.
Задачей настоящей полезной модели является повышение надежности работы воздушных поршневых компрессоров пускового воздуха, снижение трудоемкости их изготовления, улучшение удобства их эксплуатации. Предложенное техническое решение расширяет арсенал технических средств, применяемых для подготовки пускового воздуха.
Сущность предложенного технического решения заключается в следующем.
Компрессорный агрегат включает поршневой компрессор, силовой привод и блок управления, при этом компрессор размещен в кожухе и содержит систему охлаждения, систему виброизоляции и механизм движения, образованный в виде коленчатого вала, соединенного приводными шатунами с расположенными в цилиндрах первой и второй ступеней поршнями, а также с силовым приводом. Коленчатый вал компрессора выполнен неразъемным с возможностью установки на него коренных подшипников качения и подшипников качения в нижних головках шатунов.
В верхних головках шатунов установлены подшипники качения.
На каждой ступени компрессора установлен предохранительный клапан.
Кожух компрессора изготовлен из шумоизолирующего негорючего композитного материала и образует направляющий канал для прохода охлаждающего воздуха.
Кожух компрессора содержит быстросъемные панели.
Система виброизоляции содержит, по меньшей мере, три амортизатора со «страховкой» - стержнем, не допускающим срыва компрессора с креплений при нештатных ситуациях (ударных воздействиях).
Система виброизоляции содержит резинометаллические или пружинные или пластинчатые или тросовые амортизаторы.
Система виброизоляции включает гибкие соединительные трубопроводы воздуха и конденсата.
Система охлаждения включает центробежный вентилятор, закрепленный на коленчатом валу компрессора, воздушные радиаторы первой и второй ступеней компрессора, а также образованные на наружных поверхностях цилиндров первой и второй ступеней компрессора радиаторы в виде ребер.
Система охлаждения дополнительно содержит предварительные охладители перед радиаторами первой и второй ступеней компрессора, каждый из которых выполнен в виде оребренной трубы.
Обе ступени компрессора содержат комбинированные (всасывающие и нагнетательные) концентрические клапаны, пластины которых выполнены из нержавеющей стали или конструкционного пластика, образованного из полиэфир эфир кетона или полиамида или фторопласта.
Силовой привод выполнен в виде электродвигателя.
Силовой привод может быть выполнен в виде электродвигателя с преобразователем частоты.
Силовой привод может быть выполнен в виде бензинового или дизельного двигателя внутреннего сгорания.
Компрессорный агрегат содержит датчик уровня масла, выполненный в виде изогнутого емкостного сенсора для возможности непрерывного контроля уровня масла в картере компрессора независимо от качки, крена и дифферента, состава, температуры и вязкости масла.
Компрессорный агрегат может содержать, по меньшей мере, один дополнительный воздушный компрессор и, по меньшей мере, один баллон пускового воздуха.
Компрессорный агрегат может содержать дополнительный аварийный компрессор с ручным приводом.
На фиг.1 представлена схема компрессорного агрегата, на фиг.2 - поперечный разрез компрессора, на фиг.3 - продольный разрез компрессора, на фиг.4 - коленчатый вал, на фиг.5 - компрессорный агрегат в сборе, на фиг.6 - быстросъемный элемент кожуха, на фиг.7 - схема системы пускового воздуха.
Компрессорный агрегат включает в себя фильтр входного воздуха 1, компрессор 2, трубопроводы 3, кожух 4, систему охлаждения 5, систему виброизоляции 6, двигатель 7, предохранительный клапан первой ступени 8, предохранительный клапан второй ступени 9, водомаслоотделитель 10, продувочный клапан 11, невозвратный клапан 12, блок управления 13, датчик уровня масла 14, датчик давления первой ступени 15, датчик давления второй ступени 16, датчик давления 17 в системе пускового воздуха, датчик температуры второй ступени 18. Датчики 14-18, двигатель 7 и продувочный клапан 11 электрически связаны с блоком управления 13.
Датчики 14-18 осуществляют непрерывную передачу аналоговых сигналов блока управления 13, который обеспечивает контроль, отображение, архивирование и передачу текущих значений параметров в режиме реального времени и сигнализацию предельных (аварийных) значений параметров в систему управления объекта (заказа).
Датчик уровня масла 14 выполнен в виде погружного емкостного сенсора без движущихся частей, обеспечивающего непрерывный контроль уровня масла в картере компрессора независимо от качки, крена и дифферента, от состава, температуры и вязкости масла, имеющий аналоговый унифицированный токовый выходной сигнал (4…20 мА) и сигнализацию по низкому уровню масла.
Система охлаждения компрессора 5 включает воздушный радиатор первой ступени 19, воздушный радиатор второй ступени 20, предварительный охладитель первой ступени 21, предварительный охладитель второй ступени 22, колесо вентилятора охлаждающего воздуха 23. Радиаторы 19 и 20 для обеспечения эффективного воздушного охлаждения изготовлены из алюминиевого сплава.
Предварительный охладитель первой ступени 21 и предварительный охладитель второй ступени 22 выполнены, например, в виде оребренных труб и необходимы для защиты воздушных радиаторов 19 и 20, так как алюминиевые сплавы при высоких температурах теряют прочность, а учитывая высокие температуры воздуха в цилиндре (до 180-240°C) и возможные высокие температуры охлаждающего воздуха (до 30-50°C), предварительные охладители обеспечивают допустимые температуры на входе в воздушные радиаторы.
Компрессор 2 содержит картер 24, крышку 25, цилиндр первой ступени 26, цилиндр второй ступени 27, крышку первой ступени 28, крышку второй ступени 29, комбинированный клапан первой 1 ступени 30, комбинированный клапан второй ступени 31 и механизм движения (подвижные части) компрессора. При этом клапаны выполнены комбинированными (в едином корпусе всасывающие и нагнетательные) концентрическими, пластины которых для обеспечения долговечности работы могут быть изготовлены из нержавеющей стали или конструкционного пластика (например полиэфир эфир кетон, полиамид, фторопласт). Цилиндр первой ступени 26, цилиндр второй ступени 27, крышка первой ступени 28, крышка второй ступени 29 имеют наружные ребра для увеличения площади с целью более эффективного воздушного охлаждения.
Механизм движения компрессора содержит неразъемный коленчатый вал 32, коренные подшипники качения 33, два неразъемных шатуна 34, поршень первой ступени 35, поршень второй ступени 36, подшипники качения 37 в нижних головках шатунов 34, подшипники качения 38 в верхних головках шатунов 34, втулку 39, противовесы 40.
Коленчатый вал 32 (фиг.4) имеет носок 41, переднюю коренную шейку 42, на которую устанавливаются втулка 39 и подшипник качения 33, переднюю щеку 43, шатунную шейку 44, заднюю щеку 45 с отверстиями для крепления противовеса 40, заднюю коренную шейку 46 на которую устанавливается подшипник качения 33, хвостовик 47.
При этом:
- передняя коренная шейка 42 имеет диаметр меньше, чем диаметр шатунной шейки 44, передняя щека 43 выполнена в виде изогнутого колена и имеет круглое поперечное сечение, диаметр которого меньше диаметра шатунной шейки 44 и составляет приблизительно 0,9-0,95 от диаметра шатунной шейки 44 и при этом радиус изгиба колена составляет не менее 0,8 от диаметра шатунной шейки 44 (для обеспечения установки шатунов 34 с подшипниками качения 37 на шатунную шейку 44 через переднюю коренную шейку 42 и переднюю щеку 43, со стороны носка 41);
- на переднюю коренную шейку 42 устанавливается втулка 39, внутренний диаметр которой равен диаметру передней коренной шейки 42, а наружный диаметр равен диаметру задней коренной шейки 46, на втулку 39 устанавливается передний коренной подшипник качения 33;
- хвостовик 41 имеет шпоночный паз для обеспечения передачи крутящего момента от двигателя 7;
- носок 18 имеет шпоночный паз для возможности привода колеса вентилятора 23 системы охлаждения.
Использование подшипников качения 33, 37, 38 вместо подшипников скольжения, обеспечивает увеличение ресурса работы компрессора, уменьшение потребления электроэнергии за счет снижения потерь на трение, при этом упрощается монтаж и замена подшипников, смазка осуществляется разбрызгиваем масла из картера, что исключает необходимость принудительной смазки, и в связи с этим в коленчатом вале 4 и шатунах 6 отсутствуют трудоемкие для изготовления внутренние масляные каналы для смазки узлов трения.
Для исключения передачи вибрации от компрессора на фундамент и на весь объект по трубопроводам система виброизоляции 6 компрессора, содержит гибкие соединительные трубопроводы воздуха и конденсата (условно не показаны), а также, по меньшей мере, три амортизатора 48 (резинометаллических, пружинных или тросовых), выполненных со «страховкой» - стержнем, не допускающим срыва компрессора с креплений при ударных воздействиях.
В качестве двигателя 7 компрессорного агрегата используется электродвигатель, либо электродвигатель с преобразователем частоты, либо двигатель внутреннего сгорания (бензиновый или дизельный).
Для обеспечения защиты компрессора от механических воздействий и воздействий окружающей среды, а обслуживающего персонала от шума, от нагретых поверхностей и вращающихся частей компрессорный агрегат (за исключением двигателя 7, блока управления 13, датчика давления 17 и амортизаторов 48) размещен в кожухе 4 (фиг.5). Кожух компрессора изготовлен из шумоизолирующего негорючего композитного материала с возможностью выполнения функций защиты от шума. Кожух содержит направляющий канал для охлаждающего воздуха, имеет быстросъемные панели (фиг.6) для обеспечения удобства обслуживания, а также решетки 50 на отверстиях для входа и выхода воздуха.
На базе предлагаемого компрессорного агрегата можно создавать различной сложности и объема системы пускового воздуха (фиг.7), содержащие не менее двух компрессорных агрегатов и, по меньшей мере, один баллон пускового воздуха 51. Дополнительно система пускового воздуха может включать компрессор с ручным приводом 52.
Компрессорный агрегат работает следующим образом.
При включении компрессора подается питание на блок управления 13, который по сигналам датчиков определяет готовность компрессора к запуску, затем питание подается на электродвигатель 7, который начинает вращаться и приводить во вращение (например, посредством втулочно-пальцевой муфты) коленчатый вал 32 компрессора. Коленчатый вал 32 при вращении с помощью шатунов 34 сообщает поступательное движение поршням первой и второй ступени 35 и 36 соответственно.
Атмосферный воздух поступает через отверстие в кожухе 4, очищается от механических частиц в фильтре 1 и по трубопроводу 3 поступает на всасывание первой ступени компрессора 2 в центральную полость всасывания крышки 28. Воздух сжимается в цилиндре первой ступени 26 поршнем первой ступени 35, после чего через комбинированный клапан 30 выходит в периферийную полость нагнетания крышки 28, после чего по трубопроводу поступает в предварительный охладитель 21 и радиатор первой ступени 19, после чего поступает на всасывание второй ступени, в центральную полость крышки 29, через клапан 31. Воздух сжимается в цилиндре второй ступени 27 поршнем второй ступени 36, после чего через комбинированный клапан 31 выходит в периферийную полость нагнетания крышки 29, после чего по трубопроводу поступает в предварительный охладитель 22 и радиатор второй ступени 20, водомаслоотделитель 10, который периодически продувается через клапан 11, воздух далее поступает через невозвратный клапан 12 потребителю, а конденсат по продувочному трубопроводу в дренаж.
На выходе из первой ступени установлен предохранительный клапан 8, который открывается, если давление в трубопроводе возрастает более чем на 15% выше рабочего. На выходе из второй ступени установлен предохранительный клапан 9, который открывается, если давление в трубопроводе возрастает более чем на 15% выше рабочего. Также датчиками 15 и 16 обеспечивается постоянный контроль давления воздуха на первой и второй ступенях.
Охлаждающий воздух нагнетается под кожух 4 при помощи колеса вентилятора 23, приводимого в действие от коленчатого вала 32 компрессора. Воздух проходит под кожухом 4, обдувает предварительные охладители 21 и 22, цилиндры 26 и 27, крышки 28 и 29, радиаторы 19 и 20 и выходит наружу через решетки 50 в кожухе 4.
Контроль за работой компрессора осуществляется в автоматическом режиме блоком управления 13 посредством сигналов от датчиков 14-18.
При необходимости проведения технического обслуживания (ревизия и замена фильтра, поршневых колец, комбинированных клапанов и т.п.) быстросъемная панель компрессора 49 легко демонтируется даже в условиях отсутствия зон обслуживания.
Предложенная полезная модель позволяет повысить надежность работы компрессоров пускового воздуха, улучшить удобство их эксплуатации, снижает требования к обслуживающему персоналу и расширяет арсенал технических средств, применяемых для подготовки пускового воздуха.