ВИНТОВОЙ КОМПРЕССОР С КОНИЧЕСКИМИ РОТОРАМИ
SCREW COMPRESSOR WITH TAPERED ROTORS

Изобретение относится к области энергомашиностроения, а именно - к роторным винтовым машинам, а также к винтовым компрессорам и винтовым двигателям.
Под термином "компрессоры" или "компрессорные машины" в общем случае объединяют все машины, которые предназначены для преобразования механической энергии двигателя в энергию сжатого газа и его перемещения.
В зависимости от того, сообщается ли газу потенциальная или кинетическая энергия, компрессорные машины можно разделить на две группы: компрессоры объемного и динамического действия.
В компрессорах объемного действия газу непосредственно сообщается потенциальная энергия давления путем сжатия его с помощью поршня, совершающего возвратно-поступательное (в поршневых компрессорах) или вращательное (в роторных компрессорах) движение. В роторных компрессорах объемного действия путем смены направления вращения роторов происходит переключение машины из режима компрессора в режим газового мотора.
Широко известны винтовые компрессоры компании SRM (Швеция) для применения в различных отраслях промышленности, на транспорте, в технологических процессах, в системах," кондиционирования и для производства холода. Основными деталями винтовых компрессоров являются корпус, роторы с винтовой нарезкой специального профиля, подшипники, уплотнения, синхронизирующие шестерни.
Основным требованием при проектировании винтовых компрессоров является расчет и обеспечение минимальных зазоров в зацеплении винтовых частей, роторов, т.е. необходима повышенная точность изготовления винтовых частей роторов и корпуса.
Несоблюдение этих требований может привести к перераспределению зазоров между профилями в зацеплении винтовых частей роторов, а также между винтовыми частями и расточками корпуса, что приведет к касанию винтовых частей ведомого и ведущего роторов при работе компрессора и выходу последнего из строя.
В принципе зазоры между винтами и между винтами и корпусом желательно иметь нулевые; практически их приходится допускать не менее минимально безопасной величины.
В общем виде требования к зацеплению винтов состоят в следующем:
- зацепление винтов должно обеспечивать герметичность между областями выпуска и впуска, т.е. в нормальном к плоскости осей винтов направлении;
- зацепление винтов должно обеспечивать герметичность между парными полостями, т.е. в осевом (продольном) направлении.
На практике ни то, ни другое требование полностью не выполняется. Однако выполнение первого требования, как более важного, всегда обязательно и при проектировании и изготовлении должно быть основным. Выполнение второго требования в зависимости от условий работы компрессора иногда становится не только необязательным, но и нежелательным. И, напротив, в иных условиях выполнение второго требования приобретает большое значение.
Известен двухроторный агрегат, включающий:
- корпус, указанный корпус включает внутреннюю стенку, определяющую камеру впуска, впуск и выпуск соответственно расположенных в связи с камерой впуска указанного корпуса;
- втулку, установленную в камере впуска внутри корпуса, с возможностью осевого перемещения вдоль внутренней стенке корпуса, указанная втулка содержит внутреннюю стенку, определяющую камеру впуска и наружную стенку, присоединенную к внутренней стенке корпуса;
- О - кольцо, установленное сверху стенки втулки и расположенное между втулкой и корпусом, для уплотнения зазора между втулкой и корпусом;
- направляющее средство для движения втулки в осевом направлении относительно корпуса;
- два винтовых конических ротора, зацепляющихся между собой и установленных в камере впуска внутри втулки;
- электрическое приводное устройство для перемещения втулки аксиально в указанном корпусе относительно роторов, а также средства управления для контроля работы электрического приводного устройства, средство управления включает датчик давления, который реагирует на давление в камере впуска вблизи области впуска, для включения средств управления электрическими средствами в движение втулки с учетом давления определяемым датчиком давления (прототип - патент США №6257839 от 08.06.2000 г.).
Недостатком указанного устройства является недостаточная эффективность и надежность работы компрессора.
Задачей изобретения является повышение эффективных показателей работы компрессора, снижение энергопотребления, повышение надежности работы компрессора, предотвращение заклинивания винтов путем оптимизации зазоров.
Поставленная задача достигается тем, что в винтовом компрессоре с коническими роторами, включающем корпус компрессора, имеющий в срединной части полость под винтовые роторы и с примыкающими к ней полостями высокого и низкого давления и крайние части для размещения в их полостях подшипников, и установленный между внутренней стенкой корпуса и роторами с возможностью перемещения вдоль оси корпус винтов, управляемый устройством перемещения, согласно изобретению корпус винтов снабжен крышкой, установленной внутри корпуса компрессора с возможностью перемещения относительно корпуса винтов.
Причем привод для перемещения в осевом направлении корпуса винтов может быть выполнен в виде привода от электродвигателя через реечное зацепление.
Причем привод для перемещения в осевом направлении корпуса винтов может быть выполнен в виде привода от электродвигателя через винтовую пару.
Причем привод для перемещения в осевом направлении корпуса винтов может быть выполнен в виде гидропривода через гидроцилиндр.
Причем привод для перемещения в осевом направлении корпуса винтов снабжен системой управления, включающей микропроцессор и вибрационный датчик.
Причем крышка корпуса винтов снабжена не менее чем одним рычагом привода для перемещения в осевом направлении относительно корпуса компрессора.
Причем рычаг привода крышки корпуса винтов выполнен в форме двуплечего рычага, центр которого опирается на поверхность крышки корпуса подшипников на стороне выпуска, первое плечо рычага опирается на поверхность корпуса винтов, а второе плечо рычага опирается на поверхность крышки корпуса винтов.
Причем форма рычага выбрана таким образом, что перемещение одного плеча рычага в осевом направлении относительно корпуса компрессора соотносится с соответствующим перемещением другого плеча рычага в прямо противоположном направлении.
Причем между корпусом винтов и крышкой корпуса винтов установлен не менее чем один пружинный элемент.
Причем оси ведущего и ведомого винтов пересекаются в центральной точке С, торцы зубьев винтов и соответствующая поверхность крышки корпуса винтов выполнены в форме сферы с центром в точке С, внешняя поверхность зубьев винтов и соответствующих расточек в корпусе винтов выполнены в форме конусов с вершиной в точке С.
Причем вибрационный датчик расположен в корпусе подшипников на стороне выпуска в непосредственной близости от рычага.
На фиг.1 представлен винтовой компрессор с коническими роторами.
На фиг.2 представлено в увеличенном масштабе взаимное расположение рычага привода и взаимодействующих с ним деталей при увеличении зазоров между роторами и корпусом.
На фиг.3 представлено в увеличенном масштабе взаимное расположение рычага привода и взаимодействующих с ним деталей при уменьшении зазоров между роторами и корпусом.
На фиг.4 представлена в увеличенном масштабе схема регулирования зазоров путем перемещения рычага привода.
На фиг.5 показана конструкция винтового компрессора с коническими роторами.
На фиг.6 показаны окна впуска и выпуска, расположенные на корпусе винтового компрессора.
На фиг.7 показаны окна впуска и выпуска, расположенные на корпусе винтов и крышке корпуса винтов.
Винтовой компрессор включает:
1 - Вал ведущего винтового ротора
2 - Вал ведомого винтового ротора
3 - Ведущий винт
4 - Ведомый винт
5 - Корпус компрессора
6 - Корпус подшипников на стороне выпуска
7 - Окно впуска
8 - Окно выпуска
9 - Корпус винтов
10 - Крышка корпуса винтов
11 - Кромка впуска ведущего винта
12 - Кромка впуска ведомого винта
13 - Полость ведущего винта
14 - Рабочая полость ведомого винта
15 - Кромка окна выпуска корпуса винтов
16 - Кромка окна выпуска крышки корпуса винтов
17 - Корпус подшипников на стороне впуска
18 - Крышка корпуса подшипников на стороне выпуска
19 - Подшипники на стороне впуска
20 - Подшипники на стороне выпуска
21 - Привод корпуса винтов
22 - Рычаг привода крышки корпуса винтов
23 - Микропроцессор системы управления
24 - Вибрационный датчик
25 - Пружина
Описание конструкции винтового компрессора:
Винты 3 и 4 установлены на соответствующих валах 1 и 2 и вставлены в расточки винтов корпуса винтов 9.
Окно впуска воздуха корпуса винтов определяется кромками 11 и 12.
Окно выпуска корпуса винтов 15 подсоединено к окну выпуска 16 крышки корпуса винтов 10.
К корпусу винтов 9 со стороны выпуска подсоединена крышка корпуса винтов 10.
Окно впуска 7 компрессора с целью подвода рабочей среды подсоединено к окну впуска корпуса винтов 9.
Окно выпуска 8 компрессора с целью отвода рабочей среды подсоединено к окну выпуска 16 крышки корпуса винтов 10.
Корпус винтов 9 и крышка корпуса винтов 10 установлены внутри корпуса компрессора 5 с возможностью перемещения в осевом направлении относительно корпуса компрессора 5.
К корпусу компрессора 5 со стороны выпуска присоединен корпус подшипников на стороне выпуска 6.
К корпусу компрессора 5 со стороны впуска присоединен корпус подшипников на стороне впуска 17.
Подшипники на стороне впуска 19 установлены в корпус подшипников на стороне впуска 17.
Подшипники на стороне выпуска 20 установлены в корпус подшипников на стороне выпуска 6.
Валы ведомого и ведущего винтовых роторов 1 и 2 установлены с возможностью вращения в соответствующих подшипниках на стороне впуска 19 и подшипниках на стороне выпуска 20.
Ведущий винтовой ротор состоит из вала 1 и винта 3. Ведомый винтовой ротор состоит из вала 2 и винта 4. Винтовые роторы установлены внутри соответствующих расточек корпуса винтов 9 и снабжены приводом вращения через вал ведущего винтового ротора 1.
вып
1
2
Оси винтов 3 и 4 пересекаются в центральной точке С, угол между осями винтов 3 и 4 составляет α>0. Торцы зубьев винтов 3 и 4 со стороны выпуска и соответствующая поверхность крышки корпуса винтов 10 выполнены в форме сферы с центром в центральной точке С и радиусом R. Внешняя поверхность зубьев ведущего винта 3 и соответствующая расточка в корпусе винтов 9 выполнены в форме конуса с вершиной в точке С и с углом α при вершине. Внешняя поверхность зубьев ведомого винта 4 и соответствующая расточка в корпусе винтов 9 выполнены в форме конуса с вершиной в точке С и с углом α при вершине.
Корпус винтов 9 снабжен приводом 21 для перемещения в осевом направлении относительно корпуса компрессора 5. Привод 21 может быть выполнен в виде альтернативных вариантов, таких как привод от электродвигателя через реечное зацепление, привод от электродвигателя через винтовую пару, гидропривод через гидроцилиндр. Привод 21 снабжен системой управления, включающей микропроцессор 23 и не менее чем один вибрационный датчик 24.
Крышка корпуса винтов 10 снабжена не менее чем одним рычагом привода 22 для перемещения в осевом направлении относительно корпуса компрессора 5. Между корпусом винтов 9 и крышкой корпуса винтов 10 помещена пружина 25.
Рычаг привода крышки корпуса винтов 22 выполнен в форме двуплечего рычага, центр и плечи рычага образованы точками касания участков поверхности, рычага с соответствующими участками взаимодействующих поверхностей деталей 18, 9 и 10. Центр рычага 22 опирается в точке О на поверхность крышки корпуса подшипников на стороне выпуска 18, плечо рычага АО опирается в точке А на поверхность корпуса винтов 9, плечо рычага ОВ опирается в точке В на поверхность крышки корпуса винтов 10.
1
2
1
2
Форма рычага 22 выбрана таким образом, что перемещение h точки касания А в осевом направлении относительно корпуса компрессора 5 соотносится с соответствующим перемещением h точки касания В в прямо противоположном направлении, как h/h=2…20.
Вибрационный датчик 24 расположен в корпусе подшипников на стороне выпуска 18 в непосредственной близости от рычага 22.
Описание работы компрессора
Винты 3 и 4 при вращении образуют следующие друг за другом рабочие полости 13 и 14. Рабочая среда подводится к винтам через окно впуска 7 в корпусе компрессора 5. Кромки окна впуска 11 и 12 корпуса винтов 9 для ведущего винта 3 и ведомого винта 4 соответственно определяют окончание т процесса впуска и начала процесса сжатия рабочей среды внутри корпуса винтов 9. Кромки окна выпуска 15 и 16 для корпуса винтов 9 и для крышки корпуса винтов 10 соответственно определяют начало процесса выпуска. Рабочая среда отводится из компрессора через окно выпуска 8.
КПД работы винтового компрессора снижается при увеличении зазоров между винтами и корпусом выше оптимального значения, повышаются затраты мощности на привод вращения винтов. И наоборот, КПД работы винтового компрессора повышается при уменьшении зазоров между винтами и корпусом до оптимального значения, понижаются затраты мощности на привод вращения винтов.
При уменьшении зазоров между винтами и корпусом менее оптимального или минимально безопасного значения начинает происходить повышение потерь на трение винтов по корпусу, увеличивается тепловыделение в результате трения поверхностей зубьев винтов, повышается опасность заклинивания винтов в корпусе и в зацеплении зубьев винтов. Для предотвращения заклинивания винтов требуется увеличить зазоры между винтами и корпусом до оптимального или минимально безопасного значения.
1
2
Привод 21 выполняет регулирование зазоров между наружными поверхностями винтов 3, 4 и соответствующими внутренними поверхностями корпуса винтов 9 и крышки корпуса винтов 10. По команде микропроцессора 23 привод 21 выполняет перемещение h корпуса винтов 9 в осевом направлении относительно корпуса винтов 9, при этом крышка корпуса винтов 10 выполняет перемещение h в прямо противоположном направлении. Вибрационный датчика 24 выдает сигнал о вибрациях и акустической эмиссии в пространстве, расположенном в непосредственной близости от рычага 22.
Как показали расчеты, предлагаемое изобретение обеспечивает повышение эффективных показателей работы компрессора, снижение энергопотребления, повышение надежности работы компрессора, предотвращение заклинивания винтов путем оптимизации зазоров.