Разновидности воздушных компрессоров, их устройство и применение

Во многих сферах человеческой деятельности требуются компрессоры – машины, используемые для сжатия и перемещения газов. Эта статья посвящена классификации устройств данного типа. Изложенная здесь информация призвана расширить кругозор заинтересованного читателя и помочь выбрать подходящее оборудование для хозяйственных нужд.

Различие компрессоров по принципу действия

Существует множество технических способов сжатия газовой среды, которые легли в основу конструкции тех или иных типов компрессоров. Разнообразие вариантов связано со спецификой применения, техническими и энергетическими особенностями моделей, разрабатываемых для разных задач. Важнейшая классификация подобного оборудования касается принципа нагнетания газа.

Объемные компрессоры

Действие объемных компрессоров основано на периодическом изменении размеров рабочей камеры. При его уменьшении газ сжимается до повышенного давления, с которым и выходит за пределы машины. Такие устройства обычно оснащаются системой клапанов, отвечающих за своевременное заполнение и освобождение зоны сжатия.

Поршневые компрессоры

Поршневые компрессоры – самый старый вид подобного оборудования, в котором наиболее наглядно реализован объемный принцип сжатия воздуха. Основным элементом такой машины является цилиндр с расположенным внутри него поршнем, который приводится в возвратно-поступательное движение кривошипно-шатунным механизмом.

Устройство поршневого компрессора

Объем газовой камеры изменяется циклически в зависимости от фазы положения поршня. Впускной и выпускной клапаны открываются поочередно, обеспечивая направленное перемещение газовой среды. На изображении ниже показаны основные элементы конструкции подобной системы.

1. Различие поршневых компрессоров по конструкции рабочей камеры.

Рабочие камеры бывают одинарного и двойного действия.

Рабочие камеры одинарного действия. 

В данном случае рабочая камера одна и располагается с одной стороны цилиндра. Характер сжатия и движения газа здесь полностью совпадает с циклом перемещения поршня.

Компрессор с камерой одинарного действия.

Рабочие камеры двойного действия. 

В устройствах двойного действия обе части цилиндра с противоположных сторон от поршня являются равноправными рабочими камерами. Каждая из них имеет свою группу клапанов, связанных с общими входным и выходным коллекторами, и работает в противофазе с соседней. В результате за один цикл движения поршня сжатие происходит дважды.

Компрессор с камерой двойного действия.

2. Различие поршневых компрессоров по количеству цилиндров.

Количество цилиндров в одном компрессоре может быть различным, поэтому его называют одноцилиндровым, двухцилиндровым и так далее. При параллельной схеме их включения в газовый тракт увеличивается производительность машины, а при последовательной – степень сжатия исходящего газа.

Двухцилиндровый компрессор.

Каждое прохождение частиц воздуха через один цилиндр называют ступенью, а устройства с несколькими этапами повышения давления – многоступенчатыми.

3. Различие поршневых компрессоров по расположению цилиндров.

Из конструкторских попыток поиска оптимального расположения в пространстве элементов поршневых компрессоров родилось несколько самостоятельных подвидов такого оборудования. При небольшом количестве цилиндров их часто устанавливают по однорядной системе. Для пяти и более ступеней сжатия требуется компоновка в два ряда.

Горизонтальные. 

Горизонтальное расположение цилиндра считается классическим и более удобным в обслуживании. Оно подходит для стационарных тихоходных компрессоров высокой производительности. У него есть существенный недостаток, связанный с неравномерным распределением смазки и осаждением твердых частиц на подверженной трению нижней части боковой стенки.

Вертикальные. 

Вертикальные компрессоры лишены характерных для предыдущего варианта проблем, поэтому меньше изнашиваются и дольше служат. Эта компоновка применима к высокоскоростным машинам с небольшим количеством ступеней сжатия.

Вертикальный компрессор.

Угловые. 

Угловые компрессоры сочетают в себе удобство обслуживания горизонтальных и надежность вертикальных моделей. Такая компоновка обычно применяется на высокоскоростных машинах. Ее можно часто встретить на передвижных установках.

V-образные. 

V-образные компрессоры являются частным случаем угловых машин и характеризуются небольшим симметричным отклонением осей цилиндров в разные стороны от вертикали. Компоновка этого типа часто применяется на высокопроизводительных машинах.

V-образный компрессор.

Оппозитные (взаимно противоположные). 

Оппозитное расположение считается в настоящее время самым прогрессивным. Цилиндры здесь скомпонованы попарно и размещены с разных сторон от коленчатого вала. Поршни могут двигаться в противоположных или совпадающих направлениях.

Такие системы являются максимально сбалансированными и подходят для компрессоров с высокими техническими характеристиками. Типовые варианты компоновки оппозитных компрессоров представлены на изображении ниже.

Оппозитный компрессор.

4. Различие поршневых компрессоров по назначению

В зависимости от надежности, технических характеристик и особенностей эксплуатации поршневые компрессоры подразделяются на 4 группы.

Бытового назначения. 

Компрессоры бытового класса предназначены для периодического использования в подсобном хозяйстве, ремонтной мастерской, станции техобслуживания автомобилей или в строительстве. Для подобных работ не требуется высокая производительность и давление выше 8 бар. Устройства этого разряда характеризуются малыми размерами, мобильностью, относительно низким уровнем шума и минимальным регламентным обслуживанием.

Компрессор бытового назначения.

Они рассчитаны на непродолжительные периоды интенсивной эксплуатации с перерывами на охлаждение. Отступление от данного правила может привести к поломкам, исправление которых по цене сопоставимо со стоимостью нового агрегата.

Профессионального назначения. 

Область применения профессиональных компрессоров примерно та же, что и у бытовых, но эксплуатироваться они могут длительное время в интенсивном режиме. Самые мощные модели этого класса обеспечивают расход воздуха до 2 м³/мин с давлением до 16 бар.

Компрессор профессионального назначения.

Они надежны, но нуждаются в регулярном техническом обслуживании и периодическом ремонте. Их нельзя отнести к разряду экономичных и малошумных аппаратов.

Промышленные. 

Промышленные компрессоры – мощные технические устройства, применяемые в различных отраслях хозяйственной деятельности. Они способны работать без остановок в течение продолжительного времени. Их ассортимент позволяет подобрать модель с необходимыми для конкретной работы параметрами.

Рабочее давление исходящего воздуха нередко исчисляется десятками атмосфер. Оборудование этого класса достаточно дорогое, поэтому его конструкция предполагает возможность ремонта и замены основных узлов.

Промышленный компрессор.

Безмасляные. 

В некоторых областях человеческой деятельности требуется использование сжатого воздуха или перекачиваемых газов с повышенными требованиями к чистоте. Обычные компрессоры с подачей масла для смазки цилиндров в таких условиях применяться не могут.

С этой задачей справляются безмасляные машины с уплотнительными кольцами на основе пластика с низким коэффициентом поверхностного трения. Они достаточно надежны, хотя и не рассчитаны на экстремальные показатели.

Безмаслянный компрессор.

Винтовые компрессоры

Большую группу компрессоров составляют машины, в которых работу по сжатию и перемещению газа выполняют вращающиеся винты. Между ними и стенками корпуса образуются области ограниченного пространства, постепенно смещающиеся в сторону выходного патрубка. Такие устройства при незначительных размерах способны обеспечить большой расход перекачиваемой среды.

Устройство винтового компрессора

1. Винтовые компрессоры по количеству винтов

В составе винтового компрессора могут работать один, два или несколько винтов, поэтому его называют соответственно одновинтовым, двухвинтовым и т.д.

2. Винтовые компрессоры по применению масла для смазки

Для уменьшения трения и продления срока службы основных деталей винтовых компрессоров обычно в рабочую камеру подаются смазывающие вещества. Такие модели называют масляными. В тех случаях, когда контакт газа с потенциальными загрязнениями недопустим, применяют безмасляные агрегаты, изготовленные с использованием твердых антифрикционных материалов.

Шестеренчатые компрессоры

Работа шестеренчатого компрессора основана на вращении двух тщательно подогнанных шестерней. Газ, оказавшийся между зубьями и корпусом, смещается вдоль стенок от входного к выходному патрубку, создавая там область повышенного давления. Принцип работы такой машины показан на рисунке ниже.

Принцип работы шестерёнчатого компрессора.

Рабочая камера шестеренчатого компрессора в разрезе

Роторно-пластинчатые компрессоры

Компрессор роторно-пластинчатого типа имеет в своем составе цилиндрическое рабочее колесо (ротор) с расположенными по окружности пазами, в которых размещены подвижные пластины. Его устанавливают внутри корпуса (статора) с некоторым смещением оси вращения относительно центра полости.

При движении ротора пластины за счет центробежных сил или вставленных внутрь пружин стремятся занять крайнее положение, упираясь в стенки статора. В результате образуются ограниченные области, изменяющие свой объем в зависимости от положения рабочего колеса.

Устройство роторно-пластинчатого компрессора

Такой аппарат способен создавать высокое давление при значительном расходе газа. В отличие от поршневых такие модели характеризуются компактными размерами и низким уровнем шума. Принцип их работы поясняет изображение ниже.

Мембранные компрессоры

Мембранные компрессоры являются модификацией поршневых машин, адаптированных к нагнетанию газа с повышенными требованиями к отсутствию в нем нежелательных примесей. Они имеют систему клапанов, отвечающих за направление движения воздуха.

Объем рабочей камеры в них зависит от циклически изменяющегося положения герметичной мембраны. Ее привод может быть механическим, электрическим, пневматическим или гидравлическим. Вариант модели с гидравлическим приводом показан на рисунке ниже.

Устройство мембранного компрессора

Жидкостно-кольцевые компрессоры

Принцип действия жидкостно-кольцевых компрессоров напоминает работу роторно-пластинчатых машин, но роль бокового уплотнения здесь отдана не подвижным пластинам, а вращающейся жидкости. Ротор в данном случае также смещен относительно центральной оси статора, но имеет неподвижную крыльчатку. При его вращении предварительно залитая в корпус жидкость раскручивается вдоль стенок, принимая форму кольца.

Устройство жидкостно-кольцевого компрессора

Рабочие камеры оказываются ограниченными пространством между ребер ротора и вращающейся жидкостью, причем их объем меняется в зависимости от положения. Входное и выходное отверстие для газа находятся на торцевых стенках статора. Вход расположен в зоне низкого, а выход – высокого давления.

При эксплуатации таких агрегатов неизбежно происходит унос части жидкости. Для ее восполнения и осушки исходящего газа их оборудуют узлом сепарации. Принцип работы жидкостно-кольцевых компрессоров отображает следующий рисунок.

Динамические компрессоры

Принцип действия динамических машин основан на передаче газу кинетической энергии, которая преобразуется в повышенное давление. Существует три основных вида воздушных компрессоров данной категории.

Радиальные компрессоры (центробежные)

Радиальные компрессоры своей конструкцией напоминают жидкостной центробежный насос. Они состоят из похожего на улитку корпуса, внутри которого расположен вал с вращающимся на нем рабочим колесом. Его лопасти заставляют газ двигаться с высокой скоростью в радиальном направлении. Энергия такого движения частично преобразуется в давление при достаточно большом расходе.

Приемный патрубок таких агрегатов находится в районе оси, а выходной – на боковой поверхности. Рабочие колеса изготавливаются из различных материалов и различаются между собой формой лопаток. Они могут быть открытыми или закрытыми со стороны торца.

При необходимости достижения высокого напора центробежные компрессоры оснащаются несколькими рабочими колесами на общем валу. Их называют многоступенчатыми. Газ последовательно проходит через все ступени, приобретая необходимое для потребителя давление.

Устройство радиального компрессора

Преимуществом радиальных компрессоров является большой расход при умеренном шуме и вибрации. Они практически не загрязняют перекачиваемый газ масляными выделениями. Изображение центробежной машины представлено на рисунке.

Осевые компрессоры

Конструкция осевого компрессора предполагает не радиальное, а продольное движение газовой среды. Он состоит из конусообразного корпуса (статора) с расположенным внутри него ротором. Его лопатки придают газу кинетическую энергию, а направляющие элементы статора вынуждают его перемещаться вдоль оси к выходному отверстию.

Устройство осевого компрессора

Из-за сложного устройства аппараты этого типа более трудоемки в изготовлении и предъявляют высокие требования к квалификации эксплуатирующего персонала. При схожих показателях расхода и напора такие машины демонстрируют повышенный КПД в сравнении с центробежными агрегатами. Разрез осевого компрессора смотрите на рисунке ниже.

Струйные компрессоры

Струйные компрессоры являются эжекторами с соплом Вентури в качестве рабочего элемента. Их используют для повышения давления пассивного газа низкого давления, когда есть источник активного газа высокого давления. При эксплуатации такого устройства газовые среды перемешиваются между собой и имеют на выходе усредненный в сравнении с исходными показателями напор.

Устройство струйного компрессора

Сильными сторонами подобного оборудования являются:

• простота конструкции;
• отсутствие подвижных деталей;
• высокая надежность при сравнительно низкой стоимости.

Такие устройства применяют, когда есть источник газа с избыточным сжатием. Системы этого вида используют в газодобыче при наличии на одном месторождении газоносных пластов с различными характеристиками, причем высоконапорные скважины помогают извлекать из-под земли метан с минимальным исходным давлением. Схема компрессора эжекторного типа изображена на рисунке ниже.

Разновидности компрессоров по типу привода

В зависимости от технических характеристик компрессора, требуемой степени надежности, габаритных ограничений и прочих факторов применяют различные типы приводных механизмов.

Коаксиальные компрессоры (с прямым приводом)

Коаксиальный привод предполагает связь ротора двигателя с поршневым механизмом компрессионного узла посредством общего вала. Для возможности раздельного ремонта элементов часто используют муфтовое соединение. Эта конструкция изначально применялась при проектировании компрессоров, но считается не самой надежной.

Она подвергается повышенным нагрузкам в пусковой период. При заклинивании поршня повреждение может коснуться всего агрегата. В настоящее время такой вариант можно встретить на недорогих моделях чаще всего бытового класса, предназначенных для кратковременных работ.

Коаксиальный компрессор

К положительным свойствам прямого привода следует отнести компактность конструкции и отсутствие потерь крутящего момента. При высоком качестве исполнения основных узлов такой компрессор будет демонстрировать высокую энергетическую эффективность. Муфтовое соединение безаварийно работает в условиях запыленной атмосферы.

Прямой привод используется в современных винтовых компрессорах, электрический двигатель которых оснащается электронным преобразователем частоты вращения. Он обеспечивает плавный разгон и точную регулировку характеристик газа на выходе из машины. Дополнительным бонусом для таких агрегатов является экономия расхода энергии в пересчете на выработку каждого кубометра.

Ременные компрессоры

В компрессорах с ременной передачей валы двигателя и механизма камеры нагнетания расположены параллельно друг другу. На них устанавливаются шкивы, соединенные между собой кольцеобразным ремнем. От соотношения диаметров ведущего и ведомого шкива зависит передаточное число, определяющее скорость вращения рабочего колеса при стабильных частотных характеристиках мотора. Привод этого типа дает невысокий уровень шума, обеспечивает плавный разгон и не приводит к серьезным повреждениям всего агрегата при проблемах в работе одного из узлов.

Ременной компрессор.

Недостатком ременной передачи является пониженный КПД, связанный с постепенным провисанием и проскальзыванием ремня. В условиях повышенной запыленности или загрязнения отрицательный эффект усиливается.

К положительным факторам относят возможность регулирования скоростного режима при использовании разных шкивов. Машины этого типа относительно недорого стоят и легко поддаются техническому обслуживанию. Ременной передачей оснащаются модели мощностью от 2 до 250 кВт.

Компрессоры с шестеренчатой передачей (прямой привод через редуктор)

Шестеренчатая передача обеспечивает жесткую связь мотора с узлом компрессии и позволяет регулировать угловую скорость вращения рабочего вала. Она характерна для моделей мощностью от 100 до 500 кВт.

Редуктор обычно имеет закрытое исполнение и оснащается системой смазки трущихся поверхностей. Он защищен от негативного влияния пыли, влаги и повышенных температур. Компрессоры данного типа достаточно надежны.

Компрессоры по типу установленного двигателя

Воздушные компрессоры способны работать от различных видов энергии, что позволяет владельцу приобретаемого оборудования оптимально использовать имеющиеся в его распоряжении ресурсы.

Электрические компрессоры

Самый распространенный тип компрессоров оснащается электрическими двигателями, подключаемыми к сетям переменного тока напряжением 220 или 380 вольт. Он представлен большим ассортиментом моделей с любыми техническими характеристиками.

Электрический компрессор.

Компрессоры с двигателем внутреннего сгорания

Компрессоры с двигателями внутреннего сгорания, потребляющими бензин или дизельное топливо, подходят для применения на удаленных или строящихся объектах. Ими часто оснащают ремонтные, аварийно-спасательные и прочие службы с передвижным характером работы.

Компрессор с ДВС.

Турбокомпрессоры

Турбокомпрессоры используют энергию движения газа или водяного пара. Их применяют на промышленных предприятиях, имеющих избыток таких ресурсов.