Свободнопоршневые компрессоры

№10

 Введение

Одной из разновидностей компрессорных машин являются свободнопоршневые компрессоры (СПК).

СПК представляют собой сложную машину, в которой объединены в единый агрегат двигатели и компрессор. Так как поршни двигателя и компрессора непосредственно соединены один с другим, то тепловые процессы двигателя и компрессора взаимно связаны. Характер цикла двигателя зависит от параметров компрессорных полостей и продувочного насоса и наоборот.

Схема одноступенчатого симметричного СПДК.

1 – всасывающий патрубок;

2 – полость всасывания;

3 – полость цилиндра продувочного насоса;

Рекомендуемые материалы

4 – всасывающий клапан компрессора;

5 – рабочая полость компрессора;

6 – дифференциальный поршень;

7 – нагнетательный клапан компрессора;

8 – продувочный ресивер;

9 – продувочные окна;

10 – цилиндр двигателя;

11 – форсунка;

12 – выпускные (выхлопные) окна;

13 – выхлопная труба;

14 – всасывающий клапан продувочного насоса;

15 – нагнетательный клапан продувочного насоса;

16 – нагнетательный коллектор компрессора

Эта машина работает следующим образом.

Поршни 6 (дизеля и компрессора) разводятся в стороны и ставятся в пусковое положение. В цилиндр компрессора 5 подается пусковой воздух ( в СПК обычно используется воздушный пуск ). Под воздействием давления этого воздуха поршни движутся к цилиндру машины, перекрываются продувочные 9 и выхлопные 12 окна. Оставшийся воздух в цилиндре двигателя 10 сжимается и температура его повышается. При подходе поршней к мертвой точке через форсунку 11 впрыскивается топливо, происходит его самовоспламенение. Поршни останавливаются. В цилиндре двигателя образуются продукты сгорания с большим давлением, которые, действуя на поршни, сообщают им движение в противоположные стороны –  в направлении к крышкам компрессора. При движении поршней к центру машины в компрессоре происходит всасывание воздуха через всасывающие клапаны 4, в продувочном насосе 3 – сжатие и нагнетание воздуха через нагнетательные клапаны 15 в ресивер 8. При движении поршней к крышкам компрессора в двигателе происходит расширение продуктов сгорания и при открытии продувочных и выхлопных окон – очистка цилиндра и наполнение его свежим зарядом воздуха, в компрессоре – сжатие и нагнетание воздуха через клапаны 7 в ресивер (нагнетательный коллектор) 16 и далее к потребителю, в продувочном насосе  - всасывание через клапаны 14. Оставшийся воздух в мертвых пространствах компрессора после остановки поршней наружных мертвых точках расширяется и заставляет поршни двигаться к центру машины. Цепи повторяются.

В качестве двигателя к СПК используется ДВС, работающий по циклу дизеля. Но проводились и проводятся работы по использованию бензиновых двигателей, а также по применению паровой машины, создание свободнопоршневого детандера, гидрокомпрессора и электродинамического компрессора.

Кроме того, СПК может выполнять функцию генератора газов. В этом случае весь воздух, сжимаемый компрессором, направляется в свой двигатель для продувки высокого наддува. Выпускные газы, имеющие высокое давление и температуру, направляются в газовую турбину. Таким образом, в этом случае свободнопоршневой генератор газа (СПГГ) является составной частью газотурбинной установки.

СПК нашли себе применение в силу ряда неоспоримых достоинств, главные из которых следующие:

1. Существенное уменьшение удельных габаритов и массы, т.к. отсутствуют кривошипно-шатунный механизм и рама или картер, куда он устанавливается.

2. Конструктивное упрощение вследствие отсутствия кривошипно-шатунного или какого-либо другого силового механизма. В СПК усилие от давления газов от двигателя к компрессору и обратно передается непосредственно через поршни – отпадает необходимость в передаточных звеньях.

3. Абсолютная уравновешенность установки. Агрегат не требует применения фундамента.

4. Возможность регулирования производительности компрессора изменением длины хода. Изменение подачи топлива в двигатель приводит к изменению длины хода поршня, а следовательно и производительность.

5. Автономность в работе. Двигатель является составной частью установки, поэтому отпадает необходимость в источниках энергии для привода компрессора.

6. Легкий и надежный запуск. В СПК пуске обеспечивается повышенная степень сжатия, поэтому в двигателе поэтому в двигателе может быть достигнута температура, значительно превышающая температуру самовоспламенения топлива. Двигатель запускается при отрицательных температурах до -20º С без подогрева и применения специальных устройств

7. Двигатель (дизель) надежно работает при степенях сжатия ε_g=20-22 и имеет высокую экономичность η_ig=0,45-0,5. При запуске ε_g может достигать 40. В кривошипно-шатунных дизелях ε_g ограничивается из-за высокой нагруженности кривошипно-шатунного механизма.

Наряду с достоинствами СПК имеют и недостатки. Общими недостатками являются:

1. Затруднённость доступа к самодействующим клапанам компрессора. Большое число клапанов расположено во внутренних полостях агрегата.

2. Сложность изготовления синхронизирующего механизма. (Но значительно дешевле и проще, чем 2 кривошипно-шатунных механизма и пр. детали)

3. Преждевременный впрыск топлива в двигатель. При подходе к В.М.Т. резко падает скорость движения поршней и приводного от них валика топливного насоса. Чтобы обеспечить достаточную скорость движения плунжера топливного насоса, а следовательно, и интенсивность впрыска топлива, приходится увеличивать угол опережения подачи топлива. Это приводит к увеличению давления и температуры P_Z и T_Z, тем самым к увеличению напряженности работы двигателя. С целью устранения этого недостатка применяются топливные насосы  аккумулирующего типа с пружинным или воздушным приводом. Этим насосом топлива также подается преждевременно, но не в форсунку, а в аккумулирующий цилиндр, из которого топливо подается воздухом или пружиной. Но аккумулирующие насосы сложны в изготовлении и дороги, поэтому на ряде машин применяют насосы простого типа, которые увеличивают КПД, но окупаются за счет простоты.

При общей оценке СПК достоинства в значительной мере превалируют над недостатками, поэтому СПК с успехом конкурируют со многими типами приводных компрессоров.

Классификация свободнопоршневых машин.

Эти машины делятся на:

1. СПК

2. СПГГ

СПГГ заменяют обыкновенную ГТУ с камерой сгорания

СПК можно разделить:

а) по давлению

· СПК высокого давления P_k=200…400 кг/см².

· Применяются на судах, в нефте и газодобывающей промышленности.

· СПК среднего давления P_k=30 кг/см².

· Применяются в геологоразведке.

· СПК низкого давления.

· Передвижные компрессорные станции общего назначения, переносные машины

б) по типу двигателя

· Установки, работающие по циклу дизеля.

· С искровым зажиганием, но без карбюратора. Смесеобразование внутреннее, производится впрыск бензина и эта смесь поджигается искрой.

· С гидродвигателем, чаще всего использующем в качестве рабочего тела машинное масло (судовые установки).

· С двигателем – детандером.

· С линейным электродвигателем. Были попытки создания таких установок, но двигатели получаются громоздкими (для обычных машин, а не микро). Для микрохолодильных установок также двигатели нашли применение.

· С ядерным двигателем

История развития СПМ

            Впервые созданием СПК начала заниматься фирма «Юнкерс» в Германии в 1922 году, а в 1921 г. там же приступили к испытаниям первого опытного образца. Начиная с 1933 г. фирма «Юнкерс» серийно несколько типов СПДК, которые в дальнейшем использовались в военно-морском (особенно подводном) флоте, в инженерных войсках и при обслуживании аэродромов.

            В СССР инженер Е.Е. Лонкевич в 1922-1923гг впервые разработал конструкцию СПГГ для железнодорожного и водного транспорта, а в 1937г. на московском заводе «Компрессор» был изготовлен опытный образец стационарного СПДК.

            В 1932г во Франции по проекту инженера Пескара был создан СПДК для передвижных компрессорных станций, на основе которого  в 1933г. была начата разработка СПГГ. В дальнейшем СПГГ, созданные во Франции, получили широкое применение в энергетических установках различного назначения.

            Английская фирма Алан Мунту приобрела лицензию на право производства передвижных компрессорных станций с СПДК и ряда СПГГ у Пескара и фирмы СЕМЕ и с 1939г. начала осуществлять их серийное производство, разрабатывая также и собственные конструкции.

            Одна из крупнейших американских фирм Дженерал Моторс в 1954г. приобрела право на производство всех типов СПДК и СПГГ, разработанных совместно с Пескара фирмами СЕМЕ, СИГМА и Алан Мунту. В последующем СПМ за рубежом развивались главным образом, по пути создания СПГГ, предназначенных, чаще всего, для транспортных газотурбинных установок.

            В СССР в послевоенные годы были разработаны и запущены в серийное производство свободно-поршневые дизель-комрпессоры  СПДК ДК2 и ДК10, которые предназначены для получения сжатого воздуха высокого давления. Дизель-компрессор ДК2 начал изготовляться в Ленинграде (ЦКБ «Компрессор») примерно в 1949г. (P_k=230 кг/см² ).

Информация в лекции "1 Введение" поможет Вам.

            В 50-х годах был разработан и начал изготавливаться дизель-компрессор ДК10, имеющий P_k=400 кг/см², который имеет большую производительность по сравнению с ДК2.

            С_ср=9 м/сек (ДК10),

            С_ср=6,5 м/сек (ДК2).

            Эти машины нашли широкое применение на флоте. В последние годы дизель-компрессоры ДК10 в виде передвижных компрессорных станций находит применение в нефтяной и газовой промышленности вследствие малого веса и габаритов и полной уравновешенности.

            В СССР спроектированы и изготовлены несколько типов СПГГ. Примерно с 1952г. в Ворошиловграде на тепловозостроительном заводе занялись созданием СПГГ сначала для тепловозов, а потом установки на флот и для энергопоездов. Было освоено изготовление СПГГ типов ОР-95 и Г-9. На базе СПГГ типа ОР-95 был создан СПДК типа Г-14, предназначенный для перекачки природного газа.

            С начала 60-х годов производство СПГГ было свёрнуто, а также и работы по ним (в СССР и за рубежом). Это объясняется тем ,что в настоящее время созданы сравнительно дешевые материалы для лопаток турбин, научились охлаждать лопатки, что позволило поднять температуру газа перед лопатками (до 1000…1100⁰С) в результате чего обычные ГТУ по сравнению с СПГГ стали более предпочтительными, поскольку преимущества СПГГ перед ГТУ утратились. В цилиндре дизеля образуются окислы азота, которые попадают в атмосферу. Это тоже влияет на авторитет СПДК и СПГГ.