Katedra Materiałów Okrętowych i Technologii Remontów

Temat: Wybrane elementy procesu technologicznego napraw sprężarki tłokowej

Wykonali:

.

.

.

Rok V grupa 7 TRUOiP

Spis treści: strona:

1. Wstęp - 3 -

2. Zasada działania sprężarki tłokowej - 3 -

3. Układy sprężarek tłokowych - 5 -

4. Elementy konstrukcyjne sprężarek tłokowych - 8 -

5. Kadłuby - 9 -

6. Tłoki - 11 -

7. Zawory - 13 -

8. Dławice - 14 -

9. Dwustopniowa sprężarka powietrza rozruchowego

Firmy H. Cegielski – Sulzer (Poznań) - 14 -

10. Karty technologiczne - 18 -

11. Załącznik - 28 -

12. Literatura - 29 -

1. WSTĘP

Sprężarki są to maszyny robocze służące do sprężania i przetłaczania powietrza, gazów i pary, od niższego ciśnienia u wlotu p_ss (ciśnienia ssania) do wyższego ciśnie­nia u wylotu p_t (ciśnienia tłoczenia), w których spręż a przekracza liczbę 2. Sprężarki, ze względu na zasadę pracy, dzieli się na:

• Tłokowe - o posuwisto - zwrotnym ruchu organu roboczego (tłoka),

• Rotacyjne - o obrotowym ruchu organu roboczego (wirnika łopatkowego
  lub śrubowego),

• Przepływowe - bez zespołów odcinających w czasie pracy stronę ssawną
  od strony wylotowej, w których czynnik przepływa i jest sprężany w sposób
  ciągły.

W praktyce przyjęło się nazywać sprężarki tłokowe i rotacyjne wyporowymi,
a przepływowe - wirowymi.

W sprężarkach wyporowych (tłokowych i rotacyjnych) ssanie, sprężanie
i wytłaczanie (wypieranie) gazu odbywa się wskutek zwiększania i zmniejszania objętości przestrzeni roboczej, w której znajduje się gaz, przez poruszający się organ roboczy (tłok, łopatki, bruzdy wirników śrubowych itp.). Proces sprężania odbywa się tam pulsacyjnie, a ciśnienie wzrasta na skutek zmniejszania objętości gazu, w której znajduje się stała liczba cząsteczek (pomijając wszelkie przepływy uboczne występujące nieraz w czasie pracy sprężarek).

Sprężarki rotacyjne, w zależności od rodzaju organu roboczego, dzieli się na łopatkowe i śrubowe.

W sprężarkach przepływowych (wirowych) proces sprężania odbywa się
w sposób ciągły.

Sprężanie gazu następuje na skutek:

• Oddziaływania na gaz sił dynamicznych wywołanych obrotem odpowiednio ukształtowanego wieńca łopatkowego,

• wykorzystania sił bezwładności strumienia gazu.

Sprężarki przepływowe, ze względu na główny kierunek przepływu spręża­nego czynnika, dzieli się na: promieniowe, diagonalne i osiowe.

2. ZASADA DZIAŁANIA SPRĘŻARKI TŁOKOWEJ

Zasadę działania sprężarek tłokowych najłatwiej jest rozpatrzyć na przykładzie przedstawionej na rysunku 3.3 sprężarki jednostopniowej, której mechanizm torbowy zamienia ruch napędzającego ją silnika (np. elektrycznego, parowego czy spalinowego) z obrotowego na posuwisto - zwrotny. Organem roboczym sprężarki jest tłok 1, szczelnie dopasowany do cylindra, zamkniętego po lewej stronie głowicą, w której znajdują się dwa zawory: ssawny 2, tłoczny 3.

Cykl pracy sprężarki rozpoczyna się od ruchu tłoka 1 w prawo od lewego skrajnego położenia (ZZP — zewnętrzny zwrotny punkt). Wskutek ruchu tłoka,

Rys. 3.3. Zasada działania jednostopniowej sprężarki tłokowej:

1 -tłok, 2 - zawór ssawny, 3 - zawór tłoczny, 4 - rurociąg ssawny, 5 - rurociąg tłoczny,

6 - przestrzeń chłodząca sprężarki.

zawarta między tłokiem a głowicą przestrzeń zwiększa się i powstaje w niej podciśnienie. Pod wpływem różnicy ciśnień między ciśnieniem w zbiorniku A i ciśnieniem w cylindrze otworzy się zawór ssawny 2 i czynnik gazowy (np. powietrze ze zbiornika zacznie wypełniać cylinder sprężarki. Gdy tłok dojdzie do prawego skrajnego położenia (WZP - wewnętrzny zwrotny punkt), w cylindrze znajdzie się maksymalna objętość zasysanego powietrza, równa objętości skokowej cylindra sprężarki:

gdzie:

V_s - objętość skokowa;

D - średnica cylindra;

S - skok tłoka.

Tłoki rozpoczyna teraz ruch w lewo. Pod wpływem ruchu zawartego w cylin­drze powietrza zawór ssawny 2 zamyka się i wskutek zmniejszenia się przestrzeni zawartej między tłokiem a głowicą cylindra sprężarki następuje proces sprężania W momencie, gdy ciśnienie powietrza sprężonego w cylindrze przewyższy ciśnieru p_t panujące w zbiorniku B o pewną wartość spiętrzenia Ap, pod wpływem różnic ciśnień zostanie otwarty zawór tłoczny 3 i powietrze, rurociągiem tłocznym: przedostanie się do zbiornika B. Do końca suwu, tzn. do momentu, gdy tłok dojdzie do ZZP, będzie trwało wytłaczanie sprężonego powietrza przez zawór 3; zakończy się ono wraz z osiągnięciem przez tłok lewego skrajnego położenia; równocześnie zakończy się jeden cykl pracy sprężarki tłokowej.

3. UKŁADY SPRĘŻAREK TŁOKOWYCH

Najprostszą sprężarką tłokową jest jednostopniowa, jednocylindrowa maszyna napędzana bezpośrednio silnikiem elektrycznym poprzez układ korbowy. Schemat takiej sprężarki przedstawiony jest na rys. 3.9a. Wydajności jednocylindrowych sprężarek są jednakże niewielkie i w zależności od wykonania wynoszą od 10 do 40 m³/h. W odniesieniu do sprężarek okrętowych (np. sprężarki urządzeń chłodni­czych) często istnieje zapotrzebowanie na dość znaczne ilości sprężanego czynnika.

Wzrost wydajności sprężarki można uzyskać za pomocą jednego z trzech sposobów konstrukcyjnych:

• zwiększenia częstotliwości cykli pracy w jednostce czasu (zwiększenie liczby

obrotów sprężarki),

• zwiększenia objętości skokowej poprzez zwiększenie skoku lub średnicy tłoka

i cylindra albo obu tych wielkości jednocześnie,

• zwiększenia liczby cylindrów roboczych.

W praktyce dwa pierwsze sposoby są niekorzystne ze względów techniczno - eksploatacyjnych. Wzrost prędkości obrotowej w znaczny sposób zmniejsza sprawność sprężarek, zwiększając tym samym zapotrzebowanie na moc silnika napędowego. Podobnie zwiększenie skoku czy średnicy tłoka powiększa straty tarcia, jak również zwiększa zapotrzebowanie mocy. Jednocześnie pogarszają się warunki pracy maszyny, ze względu na wzrost sił masowych towarzyszących przyrostowi ciężaru tłoka, korbowodu itp.

Rys.3.9.Układy jednostopniowych sprężarek tłokowych.

4. ELEMENTY KONSTRUKCYJNE SPRĘŻAREK TŁOKOWYCH

Głównymi elementami okrętowych sprężarek tłokowych są: kadłuby z cylin­drami, tłoki, zawory, dławice i międzystopniowe chłodnice powietrza, w których prowadzone są dolne części tłoków WC i NC

• KADŁUBY

Kadłuby okrętowych sprężarek tłokowych wykonane są najczęściej jako odlew łącznie z cylindrami. W kadłubach znajdują się przestrzenie chłodzące, przez które przepływa woda.

Dla ciśnień do 0,5 MPa, a więc dla zakresów stosowanych w sprężarkach powie­trza rozruchowego, materiałem stosowanym na odlewy kadłubów i cylindrów jest najczęściej szare żeliwo perlityczne.

Dla wyższych ciśnień cylindry wykonuje się ze staliwa z wprasowanymi tuleja­mi z żeliwa perlitycznego w rozwiązaniach: ''mokrym", kiedy tuleja styka się bezpo­średnio z wodą chłodzącą i "suchym", kiedy tuleja wciśnięta jest w kadłub, który dopiero jest chłodzony wodą.

Przykład typowego rozwiązania kadłuba okrętowych sprężarek przedstawiony jest na rysunku 3.11.

a) b)

Rys.3.11. Kadłuby okrętowych sprężarek powietrza rozruchowego:

a - firmy Hatlapa, b - firmy H. Cegieiski-Sulzer C-28;

1 - przestrzeń wodna, 2 - wstawka cylindra WC.

W kadłubie sprężarki jednocylindrowej, dwustopniowej Hatlapa znajdują się kanały chłodzenia wodnego oraz kanały, którymi przepływa sprężane powietrze ze stopnia niskiego do stopnia wysokiego ciśnienia. W kadłubie znajdują się również gniazda dla zaworów: ssawno - tłocznego NC oraz ssawnego i tłocznego: WC i króćce do doprowadzenia wody i powietrza.

Kadłub sprężarki dwucylindrowej, dwustopniowej ma również przestrzeni chłodzenia wodnego oraz wprasowaną "mokrą" tuleję cylindra wysokiego ciśnienia. W dolnej jego części znajdują się specjalne prowadnice w kształcie cylindrycznych tulei.

Najczęściej zatem stosowanym w praktyce sposobem na zwiększanie wydajności jest zastosowanie większej liczby cylindrów roboczych sprężarki. W praktyce spotyka się układ rzędowy (rys. 3.9b) złożony z kilku cylindrów i tłoków o takiej samej średnicy, napędzanych wspólnym wałem korbowym lub układ V (rys. 3.9c), albo układ W (rys. 3.9d).

W sprężarkach wielostopniowych tłokowych stosuje się rozmaite układy, zależnie od liczby stopni i wydajności.

Dla niniejszych wydajności sprężarek dwustopniowych stosuje się tłoki tzw. różnicowe albo stopniowane, uzyskując tym samym sprężarki jednotłokowe dwustopniowe. Przykład takiego rozwiązania przedstawiony jest na rys. 3.10a).

Dla większości wydajności stosuje się rozwiązania dwutłokowe w jednej z trzech wersji:

• dwa tłoki stopniowane (dwustopniowe); (rys 3.1 Ob),

• dwa tłoki o różnych średnicach i jednakowych skokach (rys. 3.10c),

• dwa tłoki o jednakowych średnicach i różnych skokach (rys. 3.10d).

W praktyce najczęściej spotyka się rozwiązania przedstawione na rys. 3.10a) i 3.10c).

• TŁOKI

Tłoki sprężarek mają bardzo rozmaite konstrukcje, w zależności od przeznacze­nia, ciśnienia i szybkobieżności sprężarki oraz od rodzaju sprężanego czynnika.

Na rysunku 3.12 przedstawiono kilka typowych rozwiązań tłoków sprężarek.

Na rys. 3.12 a) pokazano tłok sprężarki chłodniczej freonowej, szybkoobrotowej, m wykonaniu bezkrzyżulcowym. W górnej części tłoka, w specjalnych rowkach, umieszczone są pierścienie uszczelniające, wykonane zazwyczaj z żeliwa o twardoś­ci nieco wyższej niż materiał cylindra. Oprócz pierścieni uszczelniających stosuje się też nieraz - jako ostatni od dołu - pierścień zgarniający. Zapobiega on prze­dostawaniu się oleju z karteru sprężarki, rozbryzgiwanego przez elementy ruchome maszyny (wał korbowy, korbowody itp.) do przestrzeni nad tłokiem.

Na rys. 3.12 b) pokazany jest tłok NC, a na schemacie 3.12 c) - WC sprężarki produkcji H.Cegielski - Sulzer. Są to tłoki jednostronnego działania, z długim prowadzeniem w kształcie cylindrycznej tulei w dolnej części tłoka, w której znaj­duje się łożysko sworznia tłokowego, łączącego tłok z korbowodem. Podobnie jak w rozwiązaniu poprzednim, w górnej części tłoka osadzone są pierścienie (5 w tłoku NC i 5wtłoku WC).

Rysunek 3.12d) przedstawia dwustopniowy tłok różnicowy sprężarki Hatlapa. Powierzchnię roboczą stopnia niskiego ciśnienia stanowi górne denko tłoka, nato­miast stopnia wysokiego ciśnienia - powierzchnia stożkowa w odległości 1/4 h od górnego denka.

Rys.3.12. Tłoki sprężarek okrętowych:

a - tłok NC sprężarki szybkobieżnej (Sabroe SM C 65), b - tłok NC sprężarki powietrza H. Cegielski-SulzerC-28, c-tłok WC sprężarki powietrza H.Cegielski-Suizer C-28, d - tiok różnicowy sprężarki Hatlapa WH 55, e - tłok różnicowy sprężarki W.Poppe, f - tłok różnicowy sprężarki Hamworthy.

Uszczelnienie między częścią nisko- i wysokociśnieniową następuje za pomocą czterech pierścieni. Dolna - długa część cylindryczna tłoka - ma za zadanie jego prowadzenie oraz uszczelnienie pomiędzy częścią wysokociśnieniową i skrzynią korbową, w której panuje ciśnienie zbliżone do atmosferycznego. Uszczelnienie to uzyskuje się dzięki czterem pierścieniom uszczelniającym i jednemu zgarnia­jącemu.

W dolnej części tłoka umieszczone jest łożysko dla osadzenia sworznia tłoko­wego.

Innego rodzaju tłok różnicowy pokazany jest na rys. 3.12e. Część górna WC ma cztery pierścienie uszczelniające, część dolna NC - trzy pierścienie uszczelnia­jące i jeden zgarniający.

W przypadkach uzyskiwania w sprężarce znacznych ciśnień (spotykane na statkach tylko w sprężarkach do specjalnych celów), jako tłok ostatniego stopnia stosuje się nieraz tłok nurnikowy pełny, z uszczelnieniami w postaci naciętych rowków.

Taki tłok różnicowy trzeciego i czwartego stopnia dla sprężarki o
p = 14 MPa przedstawia rysunek 3.12f.

Materiałem najczęściej stosowanym na odlewy tłoków jest szare żeliwo perlityczne, na tłoki WC może być użyte żeliwo modyfikowane lub stal.

W sprężarkach szybkobieżnych tłoki wykonuje się ze stopów aluminiowych w celu zmniejszenia ich masy. Na tłoki nurnikowe (np. tłok na rys. 3.12f) stosuje się niekiedy brąz.

• ZAWORY

Zawory stosowane w sprężarkach są prawie wyłącznie zaworami samoczynny­mi. Otwierają się one i zamykają wskutek różnicy ciśnień sprężanego czynnika po obu stronach zaworu, to jest między zmieniającym się w czasie pracy sprężarki ciśnieniem panującym w cylindrze a ciśnieniem panującym w przestrzeni ssawnej i tłocznej. W sprężarkach powietrza, stosowanych na statkach, ciśnienie ssania równe jest ciśnieniu atmosferycznemu, natomiast w sprężarkach chłodniczych - ciśnieniu w parownikach instalacji chłodniczej. Zawory sprężarek powinny mieć nieznaczne wymiary i małe masy poruszających się części oraz zapewniać swobo­dny, możliwie prosty i duży przekrój kanału przepływowego dla zasysanego lub wytłaczanego gazu.

Rys. 3.13.Zawór pierścieniowy samoczynny i wykresy otwarcia zaworów

ssawnego i tłocznego: 1 - gniazdo zaworu, 2 - płytka,
3 - sprężyna, 4 - ogranicznik wzniosu, 5 - śruba.

Na rys. 3.13 przedstawiony jest jednopierścieniowy tłoczny zawór samoczynny. Płytka zaworu 2 w postaci cienkiej blaszki stalowej, ulepszanej i utwardzanej powierzchniowo, dociskana jest w pozycji zamkniętej sprężyną 3, osadzoną we wgłębieniach ogranicznika 4, umocowanego z gniazdem 1, za pomocą śruby 5.

Gdy ciśnienie w cylindrze pod płytką wzrośnie ponad panujące w przewodzie tłocznym o wartość Ap, taką, aby siła wynikająca z iloczynu Δp∙F_k (gdzie F_k jest powierzchnią kanału przelotowego dla gazu w gnieździe 1) mogła pokonać ciężar płytki i opór sprężyny 3, płytka unosi się ku górze i gaz przepływa przez kanał.

W celu obniżenia oporów przepływu i zmniejszenia prędkości przepływającego pod płytką 2 gazu, w płytce w pobliżu prowadnicy wykonany jest otwór, którym przepływa część strumienia gazu, jak przedstawiono na rys. 3.13.

Na rys. 3.13 przedstawiony jest wykres otwarcia zaworów ssawnego i tłocznego w zależności od położenia tłoka w cylindrze.

W czasie suwu ssania zawór zacznie się otwierać, gdy tłok dojdzie do punktu A, to jest, kiedy zakończy się proces rozprężania gazu z przestrzeni szkodliwej sprę­żarki. Otwieranie zaworu przedstawia odcinek A'B'. Zawór ssawny otwarty jest do końca suwu ssania, a rzędne przedstawionego wykresu obrazują w pewnej skali prędkość tłoka sprężarki c_śr, a więc i proporcjonalną do niej prędkość przepływu gazu przez szczeliny i kanał zaworu ssawnego.

Otwieranie zaworu podczas suwu tłoczenia obrazuje odcinek C’D’, a rzędne wykresu górnego są proporcjonalne do prędkości tłoka sprężarki w czasie wytłacza­nia gazu z cylindra.

Czas pełnego otwarcia zaworu ssawnego jest proporcjonalny do odcinka S_ss, a zaworu tłocznego - do odcinka S_t. Odcinek S_t jest znacznie krótszy, ponieważ objętość wytłaczanego gazu jest mniejsza niż zasysanego.

Zależnie od wielkości przekroju gniazda zaworu, a więc również w zależne od wielkości sprężarki i jej wydajności, stosowane są w sprężarkach płytkowe zawory jedno-, dwu- lub trój pierścieniowe. Przykład zaworu trój pierścieniowego poka­zano na rys. 3.14. Po lewej stronie rysunku znajduje się przekrój zaworu ssawnego, po prawej tłocznego.

Rys. 3.14.Zawór płytkowy trójpierścieniowy:

1 - gniazdo, 2 - płytka zaworu, 3 - sprężyna, 4 - płytka tłumiąca, 5 - ogranicznik wzniosu, 6 - śruba, 7 - pierścień prowadzący.

W gnieździe zaworu, które jest wykonane jako odlew, znajdują się kanały pierś­cieniowe, z żebrami wzmacniającymi, utrzymujące całą konstrukcję gniazda. Płytka zaworu, wykonana ze stosunkowo cienkiej blachy, ma również pierścieniowe otwo­ry i prowadzona jest na pierścieniu 7.

W górnym, zamkniętym, położeniu płytka 2 (zawór ssawny) utrzymywana jest dzięki naciskowi sprężyny 3. Sprężyna ma również pierścieniowe otwory o tych samych średnicach, co płytka zaworowa. Podobne otwory ma też płytka tłumiąca 4, stosowana w celu wytłumienia ewentualnych drgań płytki zaworowej

i wynikających stąd, wskutek ubytków gazu, niewłaściwego zasysania itp. strat objętościowych. Gdy zawór jest otwarty, powietrze zasysane (lub wytłaczane) przepływa, jak wskazują strzałki.

Dobre wykorzystanie średnicy cylindra zapewniają współosiowe zawory ssawno - tłoczne (rys. 3.15).

Rys.3.15. Współosiowy zawór ssawno—tłoczny:

1 - gniazdo zaworu ssawnego a jednocześnie ogranicznik wzniosu zaworu tłocznego,

2 - płytka zaworu ssawnego, 3 - sprężyna zaworu ssawnego, 4 - płytka tłumiąca zaworu ssawnego, 5 - ogranicznik wzniosu zaworu ssawnego a jednocześnie gniazdo zaworu tłocznego, 6 – płytka zaworu tłocznego, 7 - sprężyna, 8 - pierścień prowadzący zaworu ssawnego, 9 - śruba mocująca.

W rozwiązaniu tego typu ssanie odbywa się przez pierścieniowe kanały bliżej osi zaworu, natomiast wytłaczanie - przez pierścieniowy kanał zewnętrzny. Przekroje kanałów ssawnych i tłocznego powinny być tak dobrane, aby - przy uwzględnieniu zmniejszenia objętości sprężanego w stopniu sprężarki powietrza - prędkości przepływu przez wszystkie kanały były w przybliżeniu równe.

W sprężarkach o mniejszych wydajnościach stosuje się niekiedy zawory piętro­we, gdzie, przy zwartej budowie, otrzymuje się dość duże swobodne przekroje dla przepływu sprężanego powietrza.

• DŁAWICE

Dławice w sprężarkach tłokowych stosowane są tylko do cylindrów dwustronnego działania, których w zasadzie nie spotyka się w sprężarkach powietrza rozru­chowego i urządzeń chłodniczych freonowych. Jedynie w rozwiązaniach instalacji chłodniczych na dwutlenek węgla oraz powietrza do automatyki spotyka się sprężarki dwustronnego działania. Zadaniem dławic jest uszczelnienie przejścia tłoczyska przez pokrywę cylindra.

Bezwodzikowe, chłodnicze sprężarki tłokowe (najczęściej freonowe) mają szczel­ne skrzynie korbowe, a uszczelnienie wyjścia wału zapewnia dławica, zarówno przy występujących w skrzyni podczas pracy tłoków nadciśnieniach, jak i podciśnieniach.

Przykład dławicy z miechem metalowym sprężarki chłodniczej niskociśnieniowej przedstawiono na rys. 3.16.

Rys.3.16. Uszczelnienie wa!u tłokowej sprężarki chłodniczej:

1 - miech metalowy, 2 - stały pierścień ślizgowy, 3 - sprężyna, 4 - pierścień wirujący,

5 - gumowa wkładka uszczelniająco - mocująca, 6 - pokrywa.