ВИНТОВЫЕ
КОМПРЕССОРЫ

Компрессоры, используемые в промышленных, коммерческих и бытовых целях, потребляют примерно 17 % вырабатываемой в мире электроэнергии. Большинство из них относятся к сжимающим устройствам объёмного типа. В настоящее время количество выпускаемых компрессоров в мире превышает 200 млн единиц в год.

Большинство компрессоров требуется для систем, использующих сжатый воздух, а также для различных систем охлаждения. Хотя поршневые компрессоры по-прежнему доминируют на рынке, значительная его доля приходится на многие другие типы компрессоров. Среди них винтовые компрессоры играют всё более важную роль, особенно там, где значения расхода сжатых газов достаточно велики, но при этом предъявляются высокие требования к потреблению энергии. Благодаря возможности обеспечения переменного напора и переменного расхода сжатого газа винтовые компрессоры являются наиболее широко используемыми в мире устройствами для промышленного охлаждения. В последние десятилетия винтовые компрессоры заменили поршневые компрессоры почти во всех областях применения промышленного холодильного оборудования. Помимо применения в системах технологического охлаждения и кондиционирования воздуха, винтовые компрессоры используются в строительстве, машиностроении, пищевой, перерабатывающей и фармацевтической промышленности, а также в металлургии и на пневматическом транспорте.

В обычном поршневом компрессоре для реализации процесса сжатия газа движение поршня внутри цилиндра осуществляется возвратно-поступательно. Чтобы понять работу винтового компрессора, можно сравнить процесс сжатия в нём с процессом в компрессоре поршневого типа. Для этого надо представить ротор с гребнями как поршень, а ротор с канавками — как цилиндр. В поршневых компрессорах, когда поршень начинает удаляться от верхней мёртвой точки, давление во всасывающем трубопроводе превышает давление внутри цилиндра, при этом открывается всасывающий клапан, и газ поступает в цилиндр. Следует помнить, что винтовой компрессор не имеет ни всасывающих, ни нагнетательных клапанов. Для простоты описания процесса сжатия можно представить работу в винтовом компрессоре только одной пары «гребень — канавка». При вращении роторов происходит расцепление гребня ведущего ротора и канавки ведомого ротора. Образовывающаяся при этом полость заполняется всасываемым газом. По мере того, как роторы продолжают вращение, объём полости между гребнем и канавкой будет увеличиваться.

В поршневом компрессоре газ продолжает поступать в цилиндр до тех пор, пока поршень не достигнет конца хода или нижней мёртвой точки, а давление во всасывающем трубопроводе не сравняется с давлением в цилиндре. В этот момент всасывающий клапан закроется, и газ займёт максимальный объём цилиндра. Произведение максимального объёма каждого цилиндра на количество цилиндров и на частоту вращения вала компрессора определяет описанный объём компрессора, являющийся основной характеристикой любого компрессора объёмного сжатия. В винтовом компрессоре газ будет продолжать поступать в каждую канавку ведомого ротора до тех пор, пока лопасть ведущего ротора не выйдет из зацепления с канавкой, которая в этот момент проходит по краю всасывающего порта, изолируя его от всасывающего патрубка. Точка, в которой канавка выходит за край всасывающего порта, является местом максимального объёма всасывающей полости канавки. Произведение объёма газа в каждой полости между гребнем и канавкой на количество гребней на ведущем роторе и на частоту вращения ротора определяет описанный объём винтового компрессора. При этом объёмы захваченного на всасывании газа в цилиндре поршневого компрессора и в полости между гребнем и канавкой винтового компрессора всё ещё находятся под давлением всасывания, поскольку процесс всасывания уже закончился, а процесс сжатия ещё не начался.

Процесс сжатия ещё не начался. Процесс сжатия в поршневом компрессоре происходит при движении поршня вверх от нижней мёртвой точки. При этом уменьшается объём газа в цилиндре, что вызывает увеличение его давления. Здесь винтовой компрессор мало чем отличается от поршневого. Поскольку роторы продолжают вращаться, они начинают зацепляться друг с другом вдоль оси вращения. При этом гребень ведущего ротора перемещается вдоль канавки ведомого ротора и уменьшает объём полости между ними.

Процесс сжатия газа будет продолжаться по мере его продвижения к нагнетательному порту компрессора. В поршневом компрессоре процесс сжатия будет продолжаться до тех пор, пока давление внутри цилиндра не превысит давление в нагнетательном трубопроводе. В этот момент нагнетательный клапан открывается и выпускает сжатый газ из компрессора. Процесс нагнетания винтового компрессора принципиально отличается от процесса в поршневом компрессоре. В винтовом компрессоре отсутствуют клапаны, которые позволяли бы нагнетаемому газу выходить из полости сжатия между гребнем и канавкой, поэтому расположение выпускного отверстия вдоль оси вращения роторов имеет решающее значение, поскольку оно определяет, когда процесс сжатия завершится и начнётся процесс нагнетания. В этот момент сжатый между гребнем и канавкой газ достигает переднего конца ротора, который контактирует с нагнетательным портом в корпусе компрессора.

В винтовом компрессоре процесс нагнетания продолжается до тех пор, пока гребень ведущего ротора не окажется по всей длине внутри канавки ведомого ротора, полностью вытесняя всё находящееся в полости

Процесс нагнетания в поршневом компрессоре завершается, когда поршень достигает верхней мёртвой точки и нагнетательный клапан закрывается. Между верхней частью поршня и головкой цилиндра должен остаться небольшой зазор, предотвращающий повреждение поршня. Наличие такого «газового кармана» в поршневом компрессоре влечёт за собой некоторое снижение его эффективности, поскольку количество газа, поступающего в цилиндр во время следующего цикла всасывания, уменьшается, что приводит к снижению объёмного КПД компрессора. В компрессорах с высокой степенью сжатия этот эффект приводит к значительному снижению эффективности и производительности. В винтовом компрессоре процесс нагнетания продолжается до тех пор, пока гребень ведущего ротора не окажется по всей длине внутри канавки ведомого ротора, полностью вытесняя находящиеся в полости сжатия газ и смазочное масло. В отличие от поршневого компрессора, в винтовом компрессоре отсутствуют газовые карманы. В результате объёмный КПД винтового компрессора намного выше, в том числе и для компрессоров с высокой степенью сжатия. Винтовые компрессоры имеют два нагнетательных порта: радиальный и осевой. Радиальный порт представляет собой V-образный вырез в золотниковом клапане, а осевой порт — это отверстие в форме бабочки, расположенное в торцевой части корпуса компрессора между отверстиями подшипниковых опор роторов. Процесс нагнетания начнётся, когда передний конец ротора совместится с зоной радиального выреза в золотниковом клапане. Осевой порт выпустит последние остатки сжатого газа и смазочного масла из полости сжатия между роторами. Оба нагнетательных порта имеют общий выход в нагнетательный патрубок компрессора.

Коэффициент объёма

Данный коэффициент (индекс) объёма, который, в свою очередь, определяет степень сжатия компрессора, можно представить следующим образом: Vi = Vs/Vd , где Vi — коэффициент (индекс) объёма; Vs — объём газа на всасывании в компрессор, м3; Vd — объём газа на нагнетании из компрессора, м3. Степень сжатия компрессора также определяется как отношение абсолютных давлений нагнетания и всасывания: Pi = Pd/Ps , где Pi — степень сжатия; Pd — давление нагнетания, кг/см2; Ps — давление всасывания, кг/см2. Соотношение между степенью сжатия и коэффициентом объёма компрессора выглядит следующим образом: где Pi — степень сжатия компрессора; k — коэффициент удельной теплоёмкости сжимаемого газа, принимается в диапазоне 1,26–1,3, для идеального газа k = cp/cv.
Перед открытием в винтовом компрессоре нагнетательного порта только два параметра определяют степень сжатия в образуемых винтовыми роторами полостях: давление всасывания и коэффициент объёма. Однако во всех холодильных системах температура конденсации определяет давление нагнетания, а температура испарения определяет давление всасывания.

В поршневых компрессорах нагнетательные клапаны открываются, когда давление в цилиндре превышает давление в нагнетательном коллекторе. Поскольку винтовой компрессор не имеет клапанов, расположение нагнетательных портов определяет максимальное значение давления нагнетания, которое будет достигнуто в полости сжатия между винтовыми роторами, прежде чем сжатый газ будет выталкиваться в нагнетательный коллектор компрессора. Коэффициент объёма является фундаментальной конструктивной характеристикой всех винтовых холодильных компрессоров. Компрессор представляет собой устройство для увеличения давления газа вследствие уменьшения его объёма. Соотношение объёма захваченного газа на всасывании Vs и объёма захваченного газа, находящегося в полости сжатия в момент выпуска из неё объёма газа Vd, определяет коэффициент уменьшения внутреннего объёма компрессора.

Если объёмный коэффициент компрессора слишком высок для заданного набора рабочих параметров, нагнетаемый газ будет удерживаться в полостях сжатия слишком долго, и его давление внутри компрессора будет подниматься выше давления в нагнетательном трубопроводе. При этом возникает эффект избыточного сжатия, который представлен в диаграмме «давление — объём» на рис. 1. В этом случае газ сжимается до давления выше требуемого давления нагнетания, и, когда происходит открытие нагнетательного порта, газ с более высоким давлением выходит из компрессора в нагнетательный трубопровод. При этом затрачивается больше электроэнергии, чем если бы сжатие было остановлено раньше, когда степень сжатия компрессора была бы равна соотношению давлений в холодильном контуре (CR)

Фрезерование ротора винтового компрессора Hanbell на высокоточном фрезеровальном станке

Когда коэффициент объёма компрессора слишком мал для заданных рабочих параметров холодильного контура, возникает эффект недостаточного сжатия, который также представлен в диаграмме «давление — объём» на рис. 1. В этом случае открытие нагнетательного порта происходит до того, как внутреннее давление в полости компрессора достигнет требуемого давления нагнетания в холодильном контуре (давления конденсации). Газ с более высоким давлением за пределами компрессора перетекает обратно в полость сжатия компрессора с более низким давлением, мгновенно повышая давление внутри компрессора до уровня давления нагнетания. При этом компрессор должен затратить дополнительную работу против этого более высокого уровня давления, чем если бы он сжимал бы газ только до уровня давления нагнетания, определяемого коэффициентом объёма. В обоих случаях компрессор будет по-прежнему работать и обеспечивать одинаковый расход сжатого газа, однако он будет потреблять больше электроэнергии, чем если бы расположение нагнетательных портов было бы оптимизировано в соответствии с объёмным коэффициентом компрессора и характеристиками холодильного контура. Конструкции компрессоров с различными коэффициентами объёма Vi позволяют оптимизировать расположение нагнетательных портов в соответствии с требуемыми рабочими параметрами холодильной системы при минимизации потребляемой мощности компрессора. Положение радиального нагнетательного порта вдоль оси роторов будет определять объём газа в точке, в которой происходит нагнетание сжатого газа. Перемещение радиального нагнетательного порта вдоль оси вращения роторов влияет на эффективную длину полостей сжатия роторов, изменяя коэффициент объёма. Компрессор с низким значением Vi обеспечивает меньшую эффективную длину полости сжатия, чем компрессор с высоким значением Vi, и наоборот. Компрессор с низким соотношением объёмов имеет больший объём газа в точке нагнетания, чем компрессор с высоким значением Vi. Объём всасывания одинаков в обоих случаях. Следует также иметь в виду результаты различных исследований, которые подтверждают, что уровни пульсации газа при нагнетании сведены к минимуму именно тогда, когда внутреннее давление приблизительно равно давлению в нагнетательном трубопроводе. В настоящее время на рынке холодильного оборудования предлагаются компрессоры с различными коэффициентами объёма. Наиболее распространённый диапазон значений Vi для винтовых компрессоров составляет от 2,2 до 5,0.

Винтовой компрессор Hanbell серии RC2

Соотношение степени сжатия и коэффициента объёма винтовых компрессоров - табл.1

В табл. 1 представлено сравнение степеней сжатия и соответствующих им коэффициентов объёма на основе приведённых выше формул. Основанная в апреле 1994 года компания Hanbell Precise Machinery Co., опираясь на конкурентоспособные цены и высокое качество, предлагает первоклассную продукцию и тем самым разрушает сложившийся рынок олигополии, на котором до недавнего времени доминировали всего лишь несколько производителей винтовых компрессоров. В настоящее время компания Hanbell является одним из крупнейших и передовых производителей компрессоров в мире, широко используя в своём производстве самые инновационные технологии. Основа деятельности Hanbell — обеспечение наивысшего качества своей продукции. Кроме того, идеология компании — это поиск и достижение совершенства во всём. В процессе производства все технологические операции осуществляются в соответствии с самыми строгими стандартами. Тем самым потребителю даются гарантии, что даже самая маленькая деталь оборудования изготовлена с наивысшим качеством.

Профили винтовых роторов компрессоров Hanbell, выполненные по формуле «5-к-6», были разработаны в соответствии с характеристиками современных экологически безопасных хладагентов и запатентованы в Тайване, США, Великобритании, Японии и КНР. На финальной стадии изготовления производится прецизионное шлифование профилей роторов с точностью до 1 мкм, что обеспечивает компрессору:

• высокую производительность;
• высокую эффективность работы;
• минимальные уровни шума и вибрации.

Эти свойства подтверждаются проверкой точности изготовления с помощью прецизионного оборудования для оптического контроля геометрических размеров производства фирмы Zeiss. Кроме того, в процессе производства каждый из выпускаемых компрессоров проходит обязательные проверки на экстремальные механические и эксплуатационные нагрузки, как в предельных диапазонах напряжения питания, так и при предельных параметрах холодильного цикла с различными хладагентами.

Компрессоры производства Hanbell Precise Machinery Co. имеют широкий диапазон значений коэффициентов объёма Vi (2,2; 2,6; 3,0; 3,5 и 4,8), что обеспечивает:

• точное соответствие заданным значениям степени сжатия компрессора и отсутствие эффектов избыточного или недостаточного сжатия;
• применимость компрессора в различных вариантах холодильных установок (в низкотемпературных системах холодоснабжения, в водоохлаждающих машинах с водяным или воздушным охлаждением конденсатора, в тепловых насосах).

Для теплового и поверочного расчёта компрессоров производства компании Hanbell используется программное обеспечение Hanbell Selection Program. В итоговом отчёте, выдаваемой данной программой, наряду с холодопроизводительностью, описанным объёмом и потребляемой мощностью компрессора, указано и соответствующее для определённых параметров холодильного контура значение коэффициента объёма Vi.

Рис. 1. Избыточное (CR < Pi) и недостаточное сжатие (CR > Pi)

Контроль параметров геометрии ротора винтового компрессора Hanbell

Компания «Фреско». Справка

Шлифовка ротора винтового компрессора Hanbell на специальном станке

Компания «Фреско» является одним из лидеров рынка запасных частей к существующему в России парку отечественного промышленного холодильного оборудования. В текущем году компания отметила юбилей — 30 лет бизнеса. Она поставляет запасные части, комплектующие изделия и компрессоры для холодильного оборудования, по мере развития охватывая всё более широкую номенклатуру; кроме того, она выполняет работы по ремонту поршневых и винтовых компрессоров на своём производственном участке. География поставок — все субъекты РФ, а также Беларусь, Казахстан, Армения, Киргизия. ООО «Фреско» с 2008 года имеет статус дистрибьютора и авторизованного сервисного центра известного производителя винтовых холодильных компрессоров — тайваньской компании Hanbell Precise Machinery Co. и продвигает на российском рынке продукцию этой компании, а также оказывает услуги по сервисному обслуживанию, ремонту и поставке запасных частей к винтовым компрессорам Hanbell, как бессальниковым, так и сальниковым.