Винтовые компрессоры: устройство, принципы работы и преимущества

Винтовой компрессор https://gk-sk.ru/kompressory/vintovye_elektro/ это ротационная машина объемного действия, в которой сжатие газа происходит за счет вращения двух параллельно расположенных роторов с сопряженными винтовыми зубьями.

Основной рабочий элемент винтовой блок, состоящий из ведущего и ведомого роторов с асимметричным профилем, которые вращаются навстречу друг другу внутри специального корпуса.

Конструктивные особенности и принцип действия винтового блока

Торцевой профиль зубьев роторов имеет сложную геометрию, состоящую из множества плавно сопряженных участков дуг окружностей, эпициклоид и лемнискат Бернулли. В асимметричном профиле передняя по ходу вращения часть зуба ведущего ротора очерчена двумя последовательно расположенными дугами окружностей меньшего и большего радиусов, составляющих соответственно 0,33–0,34 и 1,3–1,35 высоты зуба.

Сложная геометрия профиля обеспечивает плавное зацепление роторов без их механического контакта, снижает потери на трение и позволяет достигать высокой скорости вращения при относительно небольших габаритах. Отсутствие прямого соприкосновения роторов дает возможность минимизировать износ и существенно продлить ресурс работы винтового блока даже при круглосуточной эксплуатации.

При вращении винтовой пары воздух захватывается впадинами роторов со стороны всасывания и перемещается вдоль оси блока к нагнетательному патрубку. Полости, образующиеся между зубьями роторов и стенками корпуса, постепенно уменьшаются в объеме, что приводит к сжатию воздуха.

Процесс сжатия происходит непрерывно, без пульсаций, что выгодно отличает винтовые компрессоры от поршневых машин.

Клапан на входном присоединении регулирует поступление воздуха в винтовой блок, а при достижении оптимального давления в камере сжатия открываются выпускные окна, и сжатый воздух поступает в пневматическую систему.

Режимы работы винтовых компрессоров

Современные винтовые компрессоры оснащаются автоматическими системами управления, которые обеспечивают работу в нескольких режимах в зависимости от потребности в сжатом воздухе.

Пусковой режим предназначен для снижения пусковых нагрузок на электрическую сеть. При запуске электродвигатель в течение первых двух секунд подключается по схеме "звезда", а затем переключается на схему "треугольник", соответствующую рабочему режиму питания. Такая схема снижает пусковые токи и предотвращает перегрузку электросети. Компрессоры малой мощности могут запускаться напрямую по схеме "треугольник" без промежуточного переключения.

Рабочий режим характеризуется нагнетанием давления в системе. Контроль давления осуществляется двумя манометрами: первый, расположенный на панели приборов, показывает давление внутри компрессора, второй, установленный на ресивере, контролирует давление в магистрали. При достижении заданного максимального давления контроллер выдает управляющий сигнал, и компрессор переходит в режим холостого хода.

В режиме холостого хода двигатель и роторы винтового блока продолжают вращаться, но сжатие воздуха прекращается. Перемещение газа осуществляется по внутреннему контуру, что необходимо для охлаждения агрегата. В этот период всасывающий клапан перекрыт, а компрессор разгружен. Если давление в системе снижается до минимальной отметки до срабатывания временного реле, компрессор возвращается в рабочий режим.

При отсутствии снижения давления в течение заданного времени (обычно 5 минут) система переходит в режим ожидания.

Режим ожидания состояние, при котором двигатель и винтовой блок остановлены. Компрессор находится в этом режиме до тех пор, пока давление в пневмосети не опустится ниже минимального установленного значения, после чего реле запускает двигатель.

Штатное выключение (стоп) происходит с обязательным предварительным переводом компрессора в режим холостого хода. Если при нажатии кнопки "Стоп" компрессор находился в рабочем цикле, автоматика сначала переводит его на холостой ход, и только через 20–30 секунд происходит полное отключение.

Аварийная остановка экстренное выключение, при котором двигатель останавливается немедленно, без прохождения промежуточных режимов. Эта функция активируется специальной кнопкой на панели управления и предназначена для экстренных ситуаций.

Типы винтовых компрессоров

Винтовые компрессоры подразделяются на три основных типа в зависимости от способа охлаждения и смазки винтовой пары: маслозаполненные, безмасляные сухого сжатия и водозаполненные.

Маслозаполненные компрессоры наиболее распространенный тип, в котором масло подается непосредственно в винтовой блок. Смазывающая жидкость выполняет несколько критически важных функций: создает масляную пленку между роторами, предотвращая их контакт и уменьшая обратную утечку воздуха через зазоры; отводит тепло, выделяющееся при сжатии; смазывает подшипники рабочей группы. Впрыск масла повышает герметичность рабочей камеры, что позволяет достичь высокой объемной производительности.

Расход масла напрямую зависит от мощности компрессора и в среднем составляет 1 литр в минуту на 1 кВт мощности. Основной недостаток загрязнение сжатого воздуха масляной эмульсией, что требует установки сепараторов и магистральных фильтров для очистки воздуха перед подачей потребителю.

Безмасляные компрессоры сухого сжатия не предусматривают подачу смазывающей жидкости в рабочую камеру. Оба ротора оснащаются синхронизирующими шестернями, которые предотвращают контакт между поверхностями зубьев. Отсутствие масла в рабочей зоне гарантирует получение абсолютно чистого сжатого воздуха без примесей. Однако такие компрессоры требуют более высокой точности изготовления винтовой пары, что увеличивает их стоимость.

По сравнению с маслозаполненными аналогами они имеют меньший ресурс работы и пониженную производительность из-за неизбежных утечек через технологические зазоры.

Водозаполненные винтовые компрессоры представляют собой наиболее технологически продвинутый класс. Применение современных материалов и высочайшая точность изготовления роторов позволили использовать воду в качестве смазывающей и охлаждающей среды. Такая конструкция имеет упрощенную компоновку за счет отсутствия масляных фильтров и емкостей для отработанного масла.

Тепловая нагрузка на узлы винтовой пары минимальна, а характер сжатия приближается к идеальному изотермическому процессу, что обеспечивает максимальную энергетическую эффективность.

Преимущества частотного привода

Оснащение винтовых компрессоров частотным приводом существенно расширяет их функциональные возможности и повышает экономическую эффективность. Частотное регулирование позволяет точно согласовывать производительность компрессора с текущим потреблением сжатого воздуха, что дает ряд значительных преимуществ.

• Плавный пуск исключает возникновение высоких пусковых токов, что снижает нагрузку на электрическую сеть и уменьшает риск аварийных отключений. В обычных компрессорах при каждом запуске возникают пиковые нагрузки, которые могут негативно сказываться на работе другого оборудования.
• Высокая точность поддержания давления одно из ключевых достоинств частотного регулирования. Компрессоры без частотного привода поддерживают давление с дельтой в 1 бар: при снижении давления до 7 бар агрегат включается на полную мощность, а при достижении 8 бар переходит в холостой режим. Разница в 1 бар дает увеличение потребления энергии на 6–8%. Компрессоры с частотным приводом поддерживают практически постоянное давление с дельтой всего 0,1 бар, что позволяет дополнительно снизить энергозатраты. Кроме того, большая дельта рабочего давления способствует увеличению утечек внутри пневматической системы на каждый бар дельты приходится около 10% от общего объема утечек.
• Минимальное количество циклов холостого хода обеспечивает точное соответствие производительности компрессора фактическим потребностям подключенного оборудования. Частотный привод сводит к минимуму переходы в режим холостого хода, что существенно повышает показатель "количество воздуха на затраченную электроэнергию". Меньшее число циклов включения-выключения также положительно сказывается на ресурсе электродвигателя и механических компонентов компрессора.

Экономическая целесообразность применения винтовых компрессоров

Винтовые компрессоры постепенно вытесняют поршневые и центробежные машины благодаря своей надежности, возможности непрерывной работы и высокой экономичности. Даже с учетом более высокой стоимости оборудования и затрат на модернизацию пневматической системы при переходе на винтовой тип, перевод производства на использование винтовых компрессоров экономически оправдан. Экономический эффект становится тем заметнее, чем выше производительность компрессорной установки.

В отличие от поршневых компрессоров, для установки винтового агрегата не требуется массивный фундамент и выделение отдельного цеха, что снижает капитальные затраты на подготовку производственных площадей. Меньшие габариты и вибрационные нагрузки позволяют размещать оборудование на обычных бетонных полах без специальной виброизоляции.

Существенное снижение уровня шума по сравнению с поршневыми компрессорами делает винтовые агрегаты предпочтительными для установки в непосредственной близости от рабочих мест, что улучшает условия труда персонала.

Отсутствие пульсаций сжатого воздуха и низкое содержание загрязнений в произведенном воздухе также являются важными факторами при выборе типа компрессорного оборудования для производств с высокими требованиями к качеству сжатого воздуха.

Винтовые компрессоры зарекомендовали себя как оптимальное решение для предприятий, где требуется длительная и бесперебойная подача сжатого воздуха. Возможность круглосуточной работы без остановок на охлаждение и обслуживание, высокая энергоэффективность и надежность винтового блока обеспечивают низкую стоимость жизненного цикла оборудования, что в конечном итоге определяет экономическую целесообразность их применения в промышленности.

Принцип действия винтового компрессора был запатентован в Германии в 1878 году Генрихом Кригаром, однако технологические возможности того времени не позволяли воплотить эту идею в работоспособную машину. Производственные технологии XIX века не давали возможности изготовить винтовую пару с требуемой точностью, поэтому патент остался нереализованным.

• Прорыв в создании работоспособного винтового компрессора произошел в Швеции, где инженер Альф Лисхольм, работавший над проблемой помпажа компрессоров в газовых турбинах, разработал и запатентовал в 1935 году современный спирально-лопастной винтовой компрессор. 
• Дальнейшее развитие технологий литья и последующей механической обработки позволило удешевить производство винтовых пар.

Внедрение асимметричного профиля зубьев роторов стало ключевым этапом эволюции такая конструкция существенно уменьшила площади полостей, вызывающих перетечки внутри компрессора, и приблизила термодинамический КПД винтовых машин к уровню поршневых.