И.С. Янин, А.В. Братусь

Введение. Винтовые компрессоры отличаются простотой конструкции и надежностью, поэтому широко применяются во многих технологических процессах. Слабым местом данных компрессоров являются радиально-упорные подшипники, которые воспринимают осевые силы [1,2,3]. При высоких степенях сжатия эти силы разгружают с помощью балансировочных поршней, что значительно увеличивает срок службы подшипников, и соответственно повышает надежность и экономичность установки.

Пример конструкции балансировочного поршня представлен на рис. 1.

Рис. 1. Балансировочный поршень на нагнетании

 Подбор и расчет балансировочных поршней не является сложной задачей, если пренебрегать изменяющейся производительностью. Поэтому детально методика расчета данных поршней в пособиях по проектированию винтовых компрессоров не рассматривается [1,2]. Но для повышения экономичности винтового компрессора следует рассмотреть влияние изменения производительности на осевые силы. И исходя из этого рассчитывать балансировочные поршни.

Цель и задачи работы. Цель проведенной исследовательской работы состояла в определении способа расчета балансировочных поршней для винтового компрессора, производительность которого непрерывно регулируется в заданных пределах.

Проблема такого способа разгрузки в следующем: при непрерывно изменяющейся производительности происходит изменение величины осевых сил. В то время как разгружающее усилие, создаваемое балансировочным поршнем, является величиной практически неизменной. Следовательно, задача исследования заключается в том, чтобы определить размеры балансировочных поршней, которые будут разгружать максимально допустимую величину осевых сил и при этом сохранять их знакопостоянство. Иначе, действие на подшипники переменной по направлению силы приведет к их преждевременному износу [4,5].

Результаты. Исследование проводилось на примере проектного-конструкторского расчета винтового маслонаполненного компрессора  для установки гидроочистки топлива. Максимальная производительность компрессора — 15000 м³/час (при 20 °С и 1 атм.). Регулирование производительности с помощью золотником в интервале 100-30% ВКМ.

Был проведен характер влияния осевых сил. В винтовом компрессоре осевые силы складываются из торцевых сил и сил, действующих на профильные поверхности [1]. Первые силы не будут меняться от положения золотника. А вторые будут уменьшаться с выдвижением золотника из корпуса (уменьшение производительности).  Также эти силы направленны в противоположные стороны на ведущем и ведомо винте так, как показано на схеме рисунок 2.

Рис. 2. Схема осевых сил, действующих на роторы ВК

Суммарная осевая сила на торец всегда будет действовать от нагнетания к всасыванию. Из схемы рис. 2 видно, что при уменьшении осевой силы на профильные поверхности для ведущего винта суммарная осевая сила тоже будет уменьшаться. Для ведомого винта картина обратная: при уменьшении силы на профильные поверхности суммарная осевая сила будет расти. Из таких рассуждений следует, что необходимо рассмотреть два крайних состояния нагружения: при максимальной и минимальной производительности. Для ведущего винта максимальная осевая сила буде возникать при максимальной производительности. Для ведомого винта максимальная осевая сила буде возникать при минимальной производительности. 

 Был проведен теоретический силовой расчет для двух крайних состояний нагружения: при максимальной и минимальной производительности, и получены результаты, представленные в таб. 1:

Таблица 1. Величина осевых сил от производительности

Из полученных результатов можно предложить следующие рекомендации для расчета поршней: следует разгружать осевые усилия балансировочными поршнями не более минимальной возникающей осевой силы, для того, чтобы эта сила действовала всегда в одном направлении. С помощью методики, предложенной в работе [2], рассчитывать два состояния нагружения: при минимальной и максимальной производительности и выбирать минимальную силу на ведомом и ведущем винте. Также для небольшого запаса стоит компенсировать 95% от этой минимальной силы.

На основе полеченных рекомендаций был проведен расчет размеров балансировочных поршней. Также был проведен сравнительный расчет подшипников [4], который показал, что при правильной разгрузке ресурс подшипника увеличивается почти в 20 раз.

Выводы. В результате исследования предложены рекомендации для расчета балансировочных поршней в винтовом компрессоре с регулируемой производительностью, в основе которого положено условие обеспечения знакокопостояннства осевой силы. Это условие выполняется, если компенсировать не больше минимальной возникающей осевой силы. При этом для ведущего ротора максимальная сила будет при максимальной производительности, а для ведомого – при минимальной производительности.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Сакун И.А. Винтовые компрессоры. Л.: Машиностроение,1970г. 400с.
2. Хисамеев И.Г., Максимов В.А. Двухроторные винтовые и прямозубые компрессоры. Теория, расчет и проектирование, Изд.”ФЭН” АН РТ, 2000.-641с.
3. N. Stosic, I. Smith, A. Kovacevic. Screw Compressors. Mathematical Modelling and Performance Calculation. – Berlin: Springer, 2005. – 144 с.
4. Фомин М. В. Расчеты опор с подшипниками качения : справочно-метод. пособие / Фомин М. В. ; МГТУ им. Н. Э. Баумана. — М., 2001. — 97 с. : ил. — Библиогр.: с. 95.
5. Конструирование узлов и деталей машин: Учеб. пособие для студ. техн. спец. вузов / П.Ф.Дунаев, О.П.Леликов. — 8-е изд., перераб. и доп. — М.: Издательский центр «Академия», 2004. — 496 с.