Для чего нужен компрессор на судне
Компрессорами называют механизмы, предназначенные для сжатия воздуха и других газов и создающие полное давление более 1500 мм в. ст.
Судовые воздушные компрессоры необходимы для обеспечения потребителей СЭУ и в целом судна сжатым воздухом различного давления и расхода.
Наиболее распространены на судах поршневые одноступенчатые и многоступенчатые компрессоры, которые используют для получения сжатого воздуха, для пуска дизелей (давлением 30 бар), и низкого давления для обеспечения работы пневматических систем управления (давление до 10 бар), а также для сжатия паров хладоагентов в рефрижераторных установках.
Судовые компрессоры классифицируют по принципу действия, степени повышения давления, назначению, конструктивным признакам, типу приводного механизма.
По принципу действия судовые компрессоры делят на объемные и лопаточные.
Объемными называют компрессоры, повышение газа которых осуществляется за счет уменьшения объема замкнутого пространства, заполненного газом. Газ в объемных компрессорах сжимается поршнем и в сжатом виде поступает к потребителю.
Лопаточными называют компрессоры, повышение давления газа в которых осуществляется за счет использования сил инерции потока газа, приведенного в движение вращающимся лопаточным устройством (ротором). Механическая энергия ротора лопаточного компрессора преобразуется частично непосредственно в потенциальную энергию газа (давление), а частично — в кинематическую. Кинематическая энергия также переходит в потенциальную при торможении потока газа за компрессором.
Основные потребители следующие:
Судовые компрессоры можно классифицировать по следующим признакам:
А. Конструктивные особенности и характеристики:
Соединение с приводом муфтовое или техстропами;
В свою очередь, 2-х ступенчатые поршневые ЭКП бывают одностороннего и двухстороннего действия;
Б. По назначению компрессоры подразделяются:
На судах мирового флота применяются воздушные компрессоры различных фирм. Они бывают двух и трехступенчатые.
Оборудование судовых систем
Компрессоры и вентиляторы
Компрессор. Предназначен для преобразования механической энергии двигателя в потенциальную и кинетическую энергию газа. Судовой компрессор имеет то же назначение. К нему предъявляется ряд специфических требований, связанных с условиями эксплуатации, таких как малые габариты и масса, высокая степень надежности, коррозионная устойчивость, простота эксплуатации, постоянная готовность к часто повторяющимся пускам, способность в течение почти всего времени эксплуатации работать на переходных режимах.
По давлению воздуха различают компрессоры высокого (свыше 10 МПа), среднего (1—10 МПа) и низкого (до 1 МПа) давлений. Механизмы, в которых воздух сжимается от 0,015 до 0,3 МПа, называют воздуходувками или нагнетателями. По типу привода компрессоры делятся на электрические, дизельные и ручные. Встречаются судовые компрессоры с приводом от газовых турбин, так называемые турбонагнетатели.
Компрессоры воздуха высокого давления используются на судах (промысловых, судах-мастерских) с большим расходом воздуха (свыше 200 м 3 /ч), который расходуется как для пуска дизелей и работы тифона, так и для технологических нужд, а также для общесудовых систем большой воздуховместимости. Воздух среднего давления на судах обычно используется для пуска дизелей и в меньшем количестве — для вспомогательного котла и других потребителей. Воздух низкого давления идет почти исключительно на технологические нужды рыбообработки и калориферной рефрижерации трюмов при перевозке скоропортящихся продуктов.
Особенностью судовой воздушной системы является потребление воздуха из баллонов, а не от компрессора, как принято на промышленных предприятиях.
В системе сжатого воздуха не должно быть примесей масла и воды. Присутствие в воздухе масла может привести к взрыву, а наличие воды вызвать коррозию оборудования системы. Для очистки воздуха большинство компрессоров оборудовано водо-маслоотделителями, установленными после каждого из охладителей воздуха — конечного и промежуточного, которые могут быть кожухотрубными и змеевиковыми, автономными и встроенными в водяное пространство рубашек компрессоров.
Компрессоры могут быть объемного действия, в которых давление повышается уменьшением объема газа (поршневые, роторные, диафрагменные, винтовые) и динамического действия, повышающие давление преобразованием механической энергии привода в кинетическую энергию направленного движения газа с последующим преобразованием ее в потенциальную энергию (лопастные). По конструкции компрессоры можно разделить на три группы: поршневые, роторные и лопастные.
Принципиальные схемы компрессоров и воздуходувок объемного типа представлены на рис. 3.1.
Рис. 3.1. Принципиальные схемы компрессоров и воздуходувок объемного типа: а, б, в — поршневой, пластинчатый, винтовой компрессоры; г, д — роторные воздуходувки
В цилиндре 1 (рис. 3.1, а) при движении поршня 2 всасывается и сжимается газ, проходящий через всасывающий 3 и нагнетательный 4 клапаны. Для поршневых компрессоров характерны малая скорость (1,5—6 м/с) потока воздуха (газа) в процессе всасывания, сжатия и нагнетания, а также периодичность рабочего процесса.
К роторному типу относится пластинчатый компрессор (рис. 3.1, б), который состоит из корпуса 5, где эксцентрично размещен ротор 6 с пластинками 7. К этому же типу относятся винтовые компрессоры (рис. 3.1, в), состоящие из корпуса 9 с двумя винтами 8 и 10. На рис. 3.1, г, д приведены схемы разных исполнений двухроторных воздуходувок типа «Руте». В корпусе 13 вращаются два ротора 11 и 12.
Рис. 3.2. Принципиальные схемы лопастных компрессоров: а — центробежного; б — осевого
1, 3 — лопастное колесо; 2 — канал; 4 — направляющий аппарат
Схемы лопастных компрессоров центробежного и осевого типа приведены на рис. 3.2. Каждый компрессор состоит из рабочих колес и направляющих устройств. В центробежном компрессоре преобладает радиальное направление движения частиц, а в осевом частицы газа движутся по цилиндрическим поверхностям, параллельным оси вращения вала. Принципиальные схемы компрессоров соответствуют подобным схемам насосов.
Основные характеристики судовых пусковых электрокомпрессоров приведены в табл. 3.1.
Компрессоры: устройство, приводы, воздухохранители
Компрессором называется одно-, двух- или трехступенчатый поршневой воздушный насос. Количество ступеней зависит от конечного давления сжатого воздуха: для получения давления до 35 бар компрессоры выполняют двухступенчатыми, для более высокого давления — трехступенчатыми. Необходимость применения многоступенчатых компрессоров вызывается тем, что степень сжатия воздуха в одной ступени не должна превышать 8. При более высоких степенях сжатия температура в цилиндре может повыситься настолько, что произойдет самовоспламенение паров масла, поступающего на смазку цилиндров компрессора, а это может привести к взрыву и разрушению компрессора.
В зависимости от расположения ступеней компрессоры бывают последовательного сжатия—тандем и дифференциальные. На рис. 71 представлены схемы трехступенчатых компрессоров типа тандем (а) и дифференциального (б). У компрессора типа тандем при движении поршня 1 вниз воздух из машинного отделения через фильтр 3 и всасывающий клапан 2 попадает в ступень низкого давления (СНД); при движении поршня вверх воздух из СНД через нагнетательный клапан 11 переходит в холодильник СНД; далее, при движении поршня вниз воздух из холодильника СНД 10 и клапан 9 переходит в ступень среднего давления (ССД). При последующем поступательном движении поршня вверх воздух из ССД через нагнетательный клапан 4 переходит в холодильник ССД 5; при движении поршня вниз воздух из холодильника ССД 5 переходит через клапана 6 в ступень высокого давления СВД, при поступательном ходе поршня вверх воздух через нагнетательный клапан 7 из СВД через холодильник 8 поступает в воздухохранители.
У дифференциального компрессора (рис. 71, б) СНД размещена между СВД и ССД. Поэтому при движении поршня вверх воздух из СНД через холодильник 10 и клапан 11 переходит в ССД, а при движении поршня вниз—из ССД через холодильник 5—в СВД и оттуда, при сжатии, через холодильник 8—в воздухохранители. После холодильников каждой ступени устанавливают специальные сепараторы — масловодоотделители.
Сравнивая компрессоры двух типов, можно сделать следующие выводы:
у компрессора типа тандем сжатие во всех цилиндрах происходит одновременно, что увеличивает нагрузки на коленчатый вал и вызывает необходимость устанавливать более мощный приводной двигатель; у дифференциального компрессора при движении поршня вверх воздух сжимается в СНД и СВД, а при движении поршня вниз — в ССД, что уменьшает разность знакопеременных нагрузок, действующих на коленчатый вал компрессора;
при поступательном ходе поршня вниз у компрессора тандем в СНД давление ниже атмосферного и частицы масла вместе с воздухом поступают из картера через зазоры в компрессионных кольцах в цилиндр, что увеличивает расход масла и загрязняет сжатый воздух; у дифференциального компрессора этот недостаток отсутствует, так как в нижней части размещается ССД;
у дифференциальных компрессоров СНД и ССД размещаются в одной полости, что позволяет уменьшать габариты и массу компрессора;
у компрессоров типа тандем сжатый воздух поступает во все холодильники одновременно и находится там до всасывающего хода поршня, вследствие этого холодильники работают в более тяжелых условиях, чем у дифференциальных компрессоров.
К недостаткам дифференциальных компрессоров следует отнести сложность регулировки вредного пространства в ССД. (Вредным называется пространство, заключенное между поршнем, когда он находится в в. м. т. и крышкой цилиндра, а для ступени СД дифференциального компрессора — между крышкой и поршнем, когда он находится в н. м. т. Воздух, который остается в этом пространстве, расширяется при всасывающем ходе поршня и отдаляет момент открытия впускных клапанов, поэтому объем вредного пространства должен быть возможно минимальным.) Вредное пространство регулируют: у компрессоров тандем, а также в СНД и в СВД у дифференциальных компрессоров — изменением толщины прокладок между пяткой шатуна и мотылем подшипников, в ССД дифференциальных компрессоров — изменением высоты поршня или толщины прокладок между цилиндром и цилиндровой крышкой.
Для улучшения условий работы приводного электродвигателя, а также для сглаживания других недостатков в последнее время получили распространение спаренные компрессоры типа тандем: от одного коленчатого вала работают параллельно два двухступенчатых цилиндра, причем когда в одном из цилиндров происходит сжатие воздуха в ступенях, в другом—впуск воздуха, и наоборот. Конструкция такого компрессора марки 20К-1 показана на рис. 72. Все детали и узлы компрессора смонтированы на чугунной станине 13; в нижней части в специальных фланцах-крышках 10 и 25 смонтированы рамовые подшипники, в которых уложен коленчатый вал 11; на торце коленчатого вала насажен приводной шкив-маховик 24 (привод от электродвигателя осуществляется при помощи техстропной передачи). С двумя мотылевыми подшипниками коленчатого вала при помощи шатунов связаны два двухступенчатых поршня 21. Зарубашечное пространство образуется между втулками 14 и станиной 13 и уплотняется резиновыми кольцами 22. Закрываются цилиндры первой ступени крышками 16> которые одновременно служат цилиндрами вторых ступеней; вторые ступени закрыты крышками 20.
При работе компрессора воздух из машинного отделения через всасывающий клапан 4 поступает в первую ступень, из нее через нагнетательный клапан 15 попадает в трубчатый холодильник 9, проходит через сепаратор 1, всасывающий клапан 17 во вторую ступень, откуда после сжатия через нагнетательный клапан 19 поступает в змеевиковый холодильник 8 и в воздухохранители.
Уровень масла в картере контролируют по маслоуказателю 6. Трущиеся детали смазывают разбрызгиванием масла черпаками 5, закрепленными к нижним крышкам мотылевых подшипников.
Избыточное масло со стенок цилиндровой втулки первой ступени снимается маслосъемными кольцами, установленными в нижней части поршней. Выброс масла из картера предупреждают маслоотбойные кольца 23. Для монтажа мотылевых подшипников предусмотрены специальные люки с крышками 7.
Компрессор может охлаждаться как пресной, так и забортной водой, причем охлаждение может быть как от общей системы, так и «своим» насосом. При индивидуальном охлаждении вместо крышки 12 к торцу коленчатого вала крепят специальный водяной насос, который подает воду в зарубашечное пространство компрессора; отвод воды осуществляется через отводной трубопровод 18.Давление воздуха в первой ступени контролируют манометром 2, сброс избыточного давления осуществляет предохранительный клапан 3. Кроме того, каждая ступень имеет предохранительный клапан, который ежегодно осматривается и пломбируется.
Судовая система сжатого воздуха
Основными потребителями сжатого воздуха на судне являются главные и вспомогательные дизели, сигнальные звуковые устройства и др. Пуск и реверсирование судовых дизелей осуществляются главным образом сжатым воздухом. Для пуска большинства судовых дизелей требуется сжатый воздух давлением 3 МПа. Дизели оборудуются пусковой системой сжатого воздуха, состоящей из главного пускового и редукционного клапанов, воздухораспределителей, пусковых клапанов, трубопровода и арматуры. Некоторые типы дизелей средней мощности для получения сжатого воздуха оборудуются навешенными компрессорами. В объем поставки дизелей малой и средней мощности входят и баллоны сжатого воздуха. На крупных морских судах для удобства размещения такие баллоны проектируются специально.
Схема трубопроводов сжатого воздуха речного теплохода дана на рис. 3.62. Сжатый воздух давлением 3 МПа от двух компрессоров 2 с независимым электроприводом направляется в пусковые баллоны 3 главных дизелей, баллон для тифона 5 ив пусковые баллоны 11 вспомогательных дизелей. Из баллонов 3 сжатый воздух поступает в пусковую систему главных дизелей 1 и в необходимых случаях может перепускаться в баллоны для тифона и к другим потребителям. На трубопроводе от компрессоров установлены предохранительные и невозвратные запорные клапаны и манометры М.
Из тифонного баллона 8 сжатый воздух поступает через редукционные клапаны к тифонам 9, пневмоцистерне 6, форсунке 5 котла, питательному насосу 4 котла, на хозяйственные нужды 7 и на продувку забортных водоприемных отверстий 12. Давление сжатого воздуха редуцируется с 3 до 0,1 МПа к тифонам и до 0,4 МПа к другим потребителям. Из баллонов 11 сжатый воздух поступает в пусковую систему вспомогательных дизелей 10. Включение и остановка компрессоров производятся автоматически под воздействием монореле МР, установленного в системе.
Большинство поставляемых промышленностью компрессоров с независимым приводом рассчитано на конечное давление сжатия 6 МПа. Поэтому с целью уменьшения габаритов и массы установки на многих судах имеются воздухохранители на такое же давление. В этом случае на трубопроводе сжатого воздуха между дизелями и баллонами ставят редукционные клапаны, понижающие давление с 6 до 3 МПа. При снижении давления в баллоне до 3 МПа и ниже редукционный клапан всегда открыт и пропускает сжатый воздух из баллона в дизель без редуцирования давления воздуха. После сжатия в компрессоре воздух до поступления в баллоны очищается от масла и воды и охлаждается в холодильнике до температуры не более 40 °С.
Некоторые типы дизелей оборудованы газоотборочным клапаном, который заполняет баллоны сжатым газом. Однако опыт эксплуатации подтвердил нецелесообразность использования таких клапанов, так как они в большинстве случаев пригорают, а во время работы загрязняют всю систему сжатого воздуха.
Вместимость баллонов для хранения сжатого воздуха в соответствии с требованиями Регистра должна быть такой, чтобы обеспечивать двенадцать пусков для реверсивных дизелей и шесть пусков для нереверсивных дизелей без подкачки баллонов воздухом.
Особенно эффективна установка тифонных баллонов с начальным давлением 3 и даже 6 МПа. В последнем случае необходимая вместимость баллонов уменьшается в 5,5 раза.
К баллонам сжатого воздуха в соответствии с Правилами Регистра предъявляются следующие требования:
В зависимости от расположения групп баллонов на судне их именуют носовой, средней и кормовой. Для повышения живучести системы на судне обычно устанавливают не менее двух компрессоров и предусматривают кольцевую магистраль сжатого воздуха. Системы сжатого воздуха устраивают по централизованному или групповому варианту.
Управление клапанами и компрессорами преимущественно дистанционное. Баллоны для сжатого воздуха изготовляют из стали, а трубопроводы — из стальных биметаллических или латунных труб с условным проходом до 32 мм. Штуцерные соединения выполняют стальными или латунными с медными или фторопластовыми прокладками.
Литература
§ 34. Воздушные компрессоры, их конструкции и применение
Машины, предназначенные для сжатая воздуха и подачи его в воздушную магистраль судна, называются компрессорами. Сжатый воздух применяют на судах для пуска двигателей внутреннего сгорания, для работы высоконапорных паровых котлов, для работы пневматического инструмента, для специальных целей и т. п. Поэтому компрессоры можно встретить как на больших, так и на малых судах. По конструкции компрессоры, как и насосы, бывают поршневые, лопастные (осевые и центробежные), зубчатые и струйные. Наибольшее применение на судах имеют поршневые и лопастные компрессоры. Последние называют также турбокомпрессорами, учитывая их сходство с реактивными турбинами.
Поршневые компрессоры. Эти компрессоры используют для получения высоких давлений при умеренной производительности. По принципу действия поршневые компрессоры аналогичны поршневым насосам: воздух сжимается в цилиндре при помощи поршня, совершающего возвратно-поступательное движение. Устройство поршневого вертикального компрессора одинарного действия, одноступенчатого, с водяным охлаждением показано на рис. 103. Приводом компрессора может служить двигатель внутреннего сгорания или электродвигатель. Коленчатый вал 14 компрессора, получающий вращение от привода, соединен с поршнем 12 через шатун 13. Поршень, расположенный в цилиндре 2 компрессора, совершает возвратно-поступательное движение, всасывая и сжимая воздух, который поступает в цилиндр по всасывающему патрубку 9 через клапан 10. Перед поступлением в цилиндр воздух предварительно очищается от механических примесей в фильтре 8.
Рис. 103. Поршневой вертикальный компрессор.
При движении поршня 12 вверх сжатый воздух через нагнетательный клапан 4 проходит в клапанную коробку, а из нее — в воздухосборник. Когда давление в воздухосборнике превысит допустимое, сработает регулятор 5, который через трубку 7 откроет всасывающий клапан 10 и будет держать его в открытом положении при поступательном движении поршня. Для охлаждения сжатого воздуха с обеих сторон компрессора предусмотрен воздухоохладитель, в водяную рубашку 3 которого по патрубку 11 поступает холодная вода, отводимая затем по патрубку 6 в охлаждающую систему.
Для смазки движущихся частей и подшипников компрессора применяют масло, заливаемое в поддон картера 1 и забираемое оттуда через масляный фильтр 15.
За компрессором устанавливают воздухосборник в виде прочного резервуара объемом не менее 12—20-кратного объема цилиндра компрессора. Воздухосборник служит для выравнивания давления подаваемого в систему воздуха, а также для очистки его
от масла и влаги, попавших в сжатый воздух при его движении в компрессоре.
Для получения сжатого воздуха высокого давления применяют многоступенчатые поршневые компрессоры, в которых процесс сжатия воздуха осуществляется при проходе его через ряд последовательно установленных цилиндров (от двух до четырех).
Лопастные компрессоры (турбокомпрессоры). Лопастные компрессоры применяют для получения высокой производительности при умеренном давлении воздуха или газа. Сжатие воздуха происходит в результате изменения скорости его движения при вращении лопастных колес. Обычно турбокомпрессоры изготовляют многоступенчатыми (три-четыре ступени) для получения более высокого давления воздуха. В качестве привода могут служить электродвигатель, паровая и газовая турбины.
Устройство трехступенчатого турбокомпрессора приведено на рис. 104. Компрессор состоит из ротора (вала) 4 с насаженными на него лопастными колесами 3 и статора 1 в виде кожуха, разделенного кольцевыми камерами на отдельные ступени. В каждой камере расположено по одному лопастному колесу, поэтому число камер равно числу ступеней компрессора. Камеры устроены так, что они могут сообщаться между собой только через каналы рабочих колес.
Рис. 104. Трехступенчатый горизонтальный лопастной турбокомпрессор.
Вследствие быстрого вращения первого колеса воздух всасывается через открытую часть ступицы со стороны вала и увлекается по каналам ротора. При этом у входа в каналы создается разрежение, а у выхода из каналов давление повышается. Выходя из первого колеса, воздух попадает в кольцевое пространство, называемое диффузором 5, из него — во второе рабочее колесо, затем в диффузор и в третье колесо (путь воздуха показан стрелками). При переходе из одного рабочего колеса в другое давление воздуха все время возрастает, сжимаемый воздух нагревается и нуждается з охлаждении. Для спрямления потока воздуха турбокомпрессор, как и центробежный насос, имеет направляющие аппараты 2. По сравнению с поршневыми компрессорами турбокомпрессоры имеют некоторые преимущества (отсутствие клапанов, непрерывность всасывания и нагнетания, меньшие габариты).