Spis treści:

Rysunek 1. Klasyfikacja sprężarek wg zasady działania………………………………...	3
Rysunek 2. Schemat sprężarki tłokowej………………………………………………….	4
Rysunek 3. Przebieg sprężania w teoretycznej sprężarce tłokowej……………………...	5
Rysunek 4. Wykres indykatorowy jednostopniowej sprężarki rzeczywistej…………….	5
Rysunek 5. Schemat sprężarki tłokowej o dwóch stopniach sprężania…………………..	7
Rysunek 6. Przebieg sprężania w teoretycznej sprężarce tłokowej dwustopniowej……	7
Rysunek 7. Układy cylindrów dwustopniowych sprężarek tłokowych…………………..	10
Rysunek 8. Zawory sprężarek……………………………………………………………	11
Rysunek 9. Przekrój poprzeczny sprężarki łopatkowej KR-2……………………………	12
Rysunek 10. Schemat sprężarki z pierścieniem wodnym pojedynczego działania………	14
Rysunek 11. Schemat sprężarki krzywkowej typu Roots………………………………..	15
Rysunek 12. Schemat sprężarki śrubowej………………………………………………..	15
Rysunek 13. Sprężarka promieniowa jednostopniowa…………………………………...	16
Rysunek 14. Schemat sprężarki osiowej…………………………………………………	17
Rysunek 15. Jednostopniowa sprężarka promieniowa…………………………………...	18
Rysunek 16. Charakterystyka sprężarki wirowej………………………………………...	19

1. Wprowadzenie, wiadomości ogólne

W odróżnieniu od cieczy, które są nieściśliwe i wzrost ich ciśnienia może być uzyskany za pomocą pomp, gazy są podatne na sprężanie, wywołane w sprężarkach i wentylatorach.

Sprężarki działają na podobnej zasadzie jak pompy, z tym, że czynnikiem roboczym w nich zamiast cieczy jest gaz. Gazy o podwyższonym ciśnieniu mają istotne znaczenie we współczesnej technice. Niemal w każdym zakładzie przemysłowym używa się sprężonego powietrza do celów technologicznych i do napędu maszyn (szlifierek, wiertarek, polerek) i narzędzi, np. młotów pneumatycznych, narzędzi ręcznych oraz innych urządzeń mechanizujących i automatyzujących pracę. Sprężone gazy - poza powietrzem - są stosowane w spawalnictwie (tlen), a także szeroko w przemyśle chemicznym.

Sprężarki wywołują przyrost ciśnienia czyli różnicę ciśnienia ssania p_s i tłoczenia p_t, o wartości powyżej 0,2 MPa, wentylatory zaś do 0,015 MPa.

2. Klasyfikacja sprężarek

Sprężarka jest to maszyna robocza do sprężania i przetłaczania czynników gazowych (najczęściej powietrza). Jako maszyna robocza sprężarka nie wytwarza energii, lecz ją pobiera od silnika, w który musi być wyposażona.

Sprężarki mogą pracować jako samodzielne jednostki lub mogą wchodzić w skład bardziej złożonych urządzeń, takich jak chłodziarki, silniki cieplne, kotły parowe, itp.

Wielkości charakteryzujące sprężarkę to: wytwarzane ciśnienie, wydajność (tj. strumień objętości lub masy), sprawność, natężenie hałasu oraz cechy konstrukcyjne i eksploatacyjne.

Rysunek 1. Klasyfikacja sprężarek wg zasady działania

Ze względu na wartość wytwarzanego przyrostu ciśnienia gazu maszyny sprężające można podzielić na:

• sprężarki - przyrost ciśnienia 0,2 ÷ 200 MPa

• dmuchawy - przyrost ciśnienia 15 ÷ 200 kPa

• wentylatory - przyrost ciśnienia od 15 kPa

• pompy próżniowe, wytwarzające podciśnienie

W zależności od zasady działania rozróżnia się sprężarki (rys. 1) objętościowe (wyporowe) i przepływowe (wirowe).

W sprężarkach objętościowych proces sprężania odbywa się w sposób pulsacyjny, a ciśnienie wzrasta na skutek zmniejszenia objętości czynnika roboczego.

Sprężarki przepływowe sprężają czynnik roboczy w sposób ciągły, pod wpływem ruchu obrotowego wirnika z odpowiednio ukształtowanymi łopatkami.

W przypadku sprężania do wysokiego ciśnienia dużych ilości gazu stosuje się szeregowe układy sprężarkowe, np. ze wstępnym sprężaniem w sprężarkach przepływowych i ostatecznym - w sprężarkach objętościowych.

3. Sprężarki wyporowe

Zasada działania sprężarek wyporowych polega na zassaniu gazu wskutek powiększenia objętości komory roboczej, a następnie na sprężeniu go w wyniku zmniejszenia się objętości komory, i dalej - wyparciu do urządzeń odbiorczych. Sprężenie gazu jest wywołane za pomocą elementu roboczego, którym może być tłok lub wirnik z łopatkami. W związku z tym rozróżniamy sprężarki tłokowe wyporowe i rotacyjne.

3.1 Sprężarki tłokowe

3.1.1 Budowa i zasada działania

W sprężarce tłokowej sprężanie czynnika roboczego następuje na skutek postępowo-zwrotnego ruchu tłoka w cylindrze. Tłok jest napędzany silnikiem za pośrednictwem mechanizmu korbowego (rys. 2). W głowicy cylindra znajdują się dwa zawory, otwierające się samoczynnie pod wpływem różnicy ciśnienia, a zamykające się pod działaniem sprężyn.

Rysunek 2. Schemat sprężarki tłokowej (1 - cylinder, 2 - tłok, 3 - zawór ssawny, 4 - zwór tłoczny)

W czasie jednego cyklu pracy sprężarki tłok wykonuje dwa suwy: suw ssania i suw sprężania. W czasie suwu ssania tłok przemieszcza się w kierunku dolnego martwego położenia (DMP). W tym czasie otwarty jest zawór ssawny. W czasie suwu sprężania tłok przemieszcza się w kierunku górnego martwego położenia (GMP), oba zawory są wówczas zamknięte. Po sprężeniu czynnika otwiera się zawór tłoczny i czynnik roboczy jest wytłaczany z cylindra.

Proces roboczy rzeczywistej sprężarki tłokowej jest bardzo skomplikowany, dlatego na początku omówiony zostanie cykl pracy sprężarki teoretycznej (rys. 3), w której tłok przemieszcza się niezmiernie wolno, bez tarcia, w GMP dochodzi aż do dna głowicy, całkowicie (bez reszty) wytłaczając gaz z cylindra. Ponadto przyjmuje się, że w sprężarce teoretycznej zawory otwierają się i zamykają bez opóźnienia, nie powodując strat ciśnienia w czasie wymiany czynnika w cylindrze.

Gdyby w teoretycznej sprężarce tłokowej tłok poruszał się bardzo szybko, a cylinder nie był chłodzony, wówczas sprężanie przebiegałoby nie izotermicznie (T = const), lecz adiabatycznie (ΔQ = 0). Sprężaniu w sprężarkach rzeczywistych odpowiada przemiana pośrednia między adiabatą (ΔQ = 0) i izotermą (T = const). Traktuje się ją jako przemianę politropową o wykładniku politropy m (przemiana m = const na rys. 3). W przypadkach skrajnych może to być przemiana izotermiczna lub adiabatyczna.

Praca sprężania czynnika jest równa pracy technicznej przemiany 1-2 (pole zakreskowane na rys. 3). Jej wartość ulega zmianie w zależności od przebiegu krzywej 1-2.

3.1.2 Wykres indykatorowy sprężarki

Wykres indykatorowy sprężarki rzeczywistej różni się znacznie od wykresu pracy sprężarki teoretycznej. Przyczyną tego są straty energetyczne spowodowane tzw. przestrzenią szkodliwą, cieplnym oddziaływaniem ścianek cylindra, oporami przepływu czynnika roboczego przez kanały tłoczny i ssawny oraz nieszczelnością.

Przestrzenią szkodliwą V_o (rys. 4) nazywamy przestrzeń zawartą w cylindrze między wewnętrzną powierzchnią głowicy a denkiem tłoka w GMP. Jej istnienie sprawia, że po zakończeniu wytłaczania sprężanego czynnika pewna jego ilość pozostaje w cylindrze. W początkowej fazie ruchu tłoka w kierunku DMP pozostałość gazu rozpręża się zgodnie z przemianą 3-4. Dopiero po osiągnięciu ciśnienia p₁ otwiera się zawór ssawny i rozpoczyna się zasysanie nowej porcji czynnika roboczego. Przestrzeń szkodliwa zmniejsza zatem objętość zasysanego gazu, a więc i wydajność sprężarki. Krzywa 3-4 ilustruje przemianę politropową powrotnego rozprężania gazu zawartego w przestrzeni szkodliwej.

Opory przepływu czynnika przez kanały oraz zawory ssawne i tłoczne także zmieniają charakter procesów zachodzących w cylindrze sprężarki. Ponieważ zawory otwierają się dopiero po zaistnieniu różnicy ciśnień po obu ich stronach, więc w sprężarce rzeczywistej występuje pewne przesunięcie w fazie otwarcie zaworów ssawnego o tłocznego. Wskutek tego zarówno punkt 2 (otwarcie zaworu tłocznego), jak i punkt 4 (otwarcie zaworu ssawnego) na wykresie teoretycznym (linia przerywana - rys. 3) nie pokrywają się z punktami 2′ i 4′ na wykresie indykatorowym sprężarki rzeczywistej (linia ciągła).

3.1.3 Praca, moc i stopień sprężania

Praca potrzebna do izotermicznego sprężania czynnika w teoretycznej sprężarce tłokowej jest równa pracy przemiany 1-2 (pole zakreskowane na rys. 3).

Porównując przebiegi sprężania w sprężarce teoretycznej przedstawione na rys. 3 można zaobserwować, że najmniejszego wkładu pracy wymaga sprężanie izotermiczne (T = const), największego zaś adiabatyczne (ΔQ = 0). Są to dwa przypadki skrajne. W rzeczywistości w sprężarkach zawsze zachodzi przemiana pośrednia zbliżona do politropy o średnim wykładniku m (1 < m < k).

Znając rzeczywistą właściwa pracę sprężania oraz strumień masy (wydajność), moc potrzebną do sprężenia można obliczyć wg wzoru

P = l ∙ Q_m [kW]

w którym:

• l - rzeczywista właściwa praca sprężania w kJ/kg

• Q_m - strumień masy (wydajność) w kg/s

Stopień sprężania (spręż) v jest to stosunek końcowego ciśnienia tłoczenia p₂ do początkowego ciśnienia ssania p₁

3.1.4 Sprężarki tłokowe wielostopniowe

Między poszczególnymi stopniami sprężarki wielostopniowej stosuje się chłodnice, w których czynnik jest chłodzony do temperatury początkowej i dopiero wtedy kierowany do kolejnego cylindra. Zmniejsza to pracę oraz ogranicza temperaturę końcową sprężanego czynnika.

Przebieg sprężania dwustopniowego z zastosowaniem międzystopniowego chłodzenia czynnika przedstawia rys. 5 i 6. Gaz o ciśnieniu p₁ i temperaturze T₁ zostaje sprężony politropowo w cylindrze I stopnia do ciśnienia p₂ (przemiana politropowa 1-2 na rys. 6). Jednocześnie jego temperatura wzrasta od T₁ do T₂. Gaz ten ulega następnie ochłodzeniu w chłodnicy międzystopniowej od temperatury T₂ do temperatury początkowej T₁ (przemiana izobaryczna 2-3 na rys. 6). Gaz o parametrach p₂ i T₁ zostaje ponownie sprężony w cylindrze II stopnia (wysokoprężnym) do ciśnienia końcowego p₃. Jego temperatura wzrośnie jednocześnie od T₁ do T₃ (przemiana politropowa 3-4 na rys. 6).

Gdy sprężanie czynnika od ciśnienia p₁ do p₃ odbywało się w jednym cylindrze, stan końcowy czynnika byłby określony punktem 5, a praca sprężania byłaby równoważna polu wykresu A-1-5-C-A. W przypadku sprężania dwustopniowego całkowita praca sprężania odpowiada mniejszemu polu A-1-2-3-4-C-A. Zaoszczędzonej w ten sposób pracy sprężania odpowiada więc pole 3-2-5-4 (zakreskowane na rys.6). Sprężarki wielostopniowe są jednak bardziej złożone i droższe niż sprężarki jednostopniowe.

Im większa jest liczba stopni sprężania z chłodzeniem gazu między poszczególnymi stopniami, tym proces sprężania w sprężarce wielostopniowej jest bliższy przemianie izotermicznej. Spotyka się sprężarki tłokowe nawet siedmiostopniowe, umożliwiające uzyskanie sprężonego gazu o ciśnieniu nawet do 200 MPa.

3.1.5. Podstawowe parametry techniczne sprężarek tłokowych

1. Wydajność

Rzeczywista wydajność Q_r sprężarki tłokowej jednostronnego działania tzn. objętość gazu sprężonego i wytłoczonego z cylindra w jednostce czasu, zredukowaną do ciśnienia i temperatury ssania, oblicza się wg wzoru

[m³/s]

w którym:

• Q_t - wydajność teoretyczna w [m³/s]

• 
  - pole poprzecznego przekroju cylindra w [m²]

• S - skok tłoka w [m]

• n - prędkość obrotowa wału korbowego sprężarki w [obr/min]

• λ - współczynnik wydajności

• i - liczba cylindrów

Współczynnik wydajności λ jest to stosunek rzeczywistej wydajności sprężarki Q_r do wydajności teoretycznej Q_t (na ogół λ = 0,65 ÷ 0,9).

2. Moc

Moc jednego cylindra P_1i sprężarki przy jednostronnym zasysaniu gazu można obliczyć znając średnie ciśnienie indykowane p_i oraz wydajność jednego cylindra Q_t

[kW]

We wzorze tym:
[m³/s]

Średnie ciśnienie indykowane pi wyznacza się z zakresu indykatorowego (rys. 4), podobnie jak w przypadku tłokowego silnika spalinowego.

Moc indykowana całkowita P_i sprężarki jest równa sumie mocy indykowanej wszystkich cylindrów. Należy przy tym uwzględnić fakt, czy sprężarka działa jednostronnie, czy dwustronnie.

Moc potrzebną do napędu sprężarki (moc na wale sprężarki) oblicza się wg wzoru

[kW]

w którym:

• η_m - sprawność mechaniczna (η_m = 0,9 ÷ 0,96 - dla dużych i średnich sprężarek wolnobieżnych, η_m = 0,8÷ 0,9 - dla małych sprężarek szybkobieżnych).

Gdy sprężarka jest napędzana za pośrednictwem przekładni, moc P_s na wale silnika określa wzór

[kW]

w którym: η_p - sprawność przekładni (0,94 ÷ 0,98).

3. Sprawność

Straty energetyczne i objętościowe zachodzące w sprężarkach tłokowych sprawiają, że praca potrzebna do sprężania określonej ilości gazu musi być większa od pracy teoretycznej. Straty cieplne określa sprawność indykowana η_i , natomiast miarą strat mechanicznych jest sprawność mechaniczna określona wzorem

w którym:

• P_i - moc indykowana odpowiadająca pracy indykowanej

• P_N - moc napędowa, odpowiadająca pracy napędowej wykonywanej na wale napędowym sprężarki

Sprawność mechaniczna sprężarek tłokowych zawiera się w granicach 0,85 ÷ 0,98. Mniejsze wartości dotyczą małych sprężarek, najwyższe zaś wartości - sprężarek bezkorbowych.

Sprawność ogólna (efektywna) η_e sprężarki jest to stosunek mocy teoretycznej (sprężania izotermicznego) do mocy rzeczywiście pobranej z silnika

Sprawność ogólną można też obliczyć znając sprawności indykowaną i mechaniczną

3.1.6. Rozwiązania konstrukcyjne sprężarek tłokowych

W zależności od liczby stopni sprężania sprężarki tłokowe można podzielić na jednostopniowe i wielostopniowe. Sprężanie (dowolnego stopnia) może odbywać się w jednym lub kilku cylindrach.

Rozróżnia się sprężarki tłokowe jednostronnego lub dwustronnego działania oraz różnicowe. W sprężarkach jednostronnego działania tłok spręża gaz tylko po jednej stronie, w sprężarkach zaś dwustronnego działania - po obu swoich stronach. W sprężarce różnicowej tłok ma kilka różnych średnic.

Podobnie jak silniki spalinowe, sprężarki mogą być chłodzone powietrzem lub wodą. W przypadku sprężarki chłodzonej powietrzem przepływ powietrza chłodzącego, omywającego użebrowany cylinder, wymusza wentylator umieszczony na wale sprężarki.

Zaletą sprężarek chłodzonych powietrzem jest możliwość pracy w temperaturze otoczenia niższej niż 0°C, natomiast chłodzenie wodą zapewnia lepszą wymianę ciepła.

W sprężarkach chłodzonych wodą korpusy cylindrów i głowice mają odpowiednie kanały, którymi przepływa chłodząca je woda. W sprężarkach wielostopniowych instaluje się ponadto chłodnice międzystopniowe.

Sprężarki tłokowe mogą być smarowane olejem, lecz są też sprężarki bezsmarowe, w których gładź cylindrowa nie musi być smarowana.

Rozwiązanie konstrukcyjne sprężarki tłokowej w dużej mierze zależy od liczby cylindrów i ich układu. W małych i dużych sprężarkach szybkobieżnych stosowane są cylindry stojące albo układy widlaste W (rzadziej V) o promieniowym ustawieniu osi cylindrów. W sprężarkach średnich i dużych wolnobieżnych stosuje się układ L lub cylindry leżące. Przykłady układów cylindrów dwustopniowych sprężarek tłokowych pokazano na rys. 7. Na rysunku tym przedstawiono też przykłady układów korbowych wodzikowych i bezwodnikowych. Te ostatnie są podobne do układów korbowych stosowanych w silnikach spalinowych.

Rysunek 7. Układy cylindrów dwustopniowych sprężarek tłokowych (I i II - pierwszy i drugi stopień sprężania)

Główne zespoły sprężarki tłokowej to: kadłub (nazywany skrzynią korbową), głowica, układ korbowy i układ zaworowy. Konstrukcja większości elementów sprężarek - cylindrów, wałów korbowych, korbowodów, łożysk, a w pewnej mierze też tłoków i głowic - jest podobna do konstrukcji analogicznych elementów silników spalinowych. Odmienną budowę mają przede wszystkim zawory.

W sprężarkach prawie wyłącznie stosuje się zawory samoczynne. Zamykają się one i otwierają na skutek różnicy ciśnienia po obu stronach zaworu. Najczęściej spotyka się zwory grzybkowe, pierścieniowo-płytkowe oraz listwowe. Zawory grzybkowe (rys. 8a) ze względu na dużą masę są stosowane jedynie w nielicznych wolnobieżnych sprężarkach o układzie poziomym.

Najczęściej są stosowane zawory pierścieniowo-płytkowe (z 1, 2 lub 3 pierścieniami). W zaworze dwupierścieniowym ssawnym (rys. 8b) płytki zamykające 6 i 7 są dociskane do gniazda sprężynami walcowymi 8 i 9, umieszczonymi między gniazdem a zderzakiem.

Rysunek 8. Zawory sprężarek: a) grzybkowy, b) pierścieniowo-płytkowy, c) listwowy (1 - grzybek, 2 - sprężyna odciążająca, 3 - korpus, 4 - gniazdo, 5 - zderzak, 6 i 7 - płytki zamykające (zwieradła), 8 i 9 - sprężyny walcowe, 10 - listwy)

Gniazdo 4 bezsprężynowego zaworu listwowego (rys. 8c) ma kilka podłużnych szczelin, przez które przepływa gaz. Szczeliny te przykrywają zwieradła w postaci cienkich sprężystych listew 10, wyginających się pod ciśnieniem gazu.

W zależności od przeznaczenia sprężarki mogą być stacjonarne - ustawiane na fundamencie - lub przewoźne (zamontowane na wózku przewoźnym).

3.2. Sprężarki rotacyjne

3.2.1. Zasada działania

W sprężarkach rotacyjnych element roboczy wykonuje ruch obrotowy. Elementem tym może być wirnik wyposażony w łopatki, ale mogą to być też wirujące tłoki lub śruby. Obracając się elementy te tworzą wraz z obudową szereg komór o zmieniającej się cyklicznie objętości. Po stronie ssawnej objętość tych komór się zwiększa, a po stronie tłocznej - zmniejsza, co powoduje zasysane, sprężanie i wytłaczanie czynnika gazowego. Podobnie jak w sprężarkach tłokowych, procesy te nie zachodzą w sposób ciągły, lecz dawkami.

Brak dużych mas wykonujących ruch postępowo-zwrotny sprawia, iż sprężarki rotacyjne mogą być napędzane bezpośrednio przez szybkobieżny silnik elektryczny lub spalinowy. Sprężarki takie mają prosta budowę (brak zaworów ssawnych i tłocznych), są lekkie, a więc nie wymagają dużych ciężkich fundamentów, nie są drogie, a ponadto niskie są też koszty ich eksploatacji. Wady sprężarek rotacyjnych to przede wszystkim niskie ciśnienie tłoczenia (w sprężarkach dwustopniowych do 1 MPa) oraz większe straty mechaniczne niż w sprężarkach tłokowych.

3.2.2. Typowe rozwiązania konstrukcyjne

Spośród wielu odmian sprężarek rotacyjnych najbardziej znane są sprężarki: łopatkowe, z wirującym pierścieniem wodnym, z wirującymi tłokami (krzywkowe) oraz śrubowe. Najszersze zastosowanie znalazły sprężarki łopatkowe.

3.2.3. Sprężarka łopatkowa

Wirnik 2 takiej sprężarki (rys. 9) obraca się mimośrodowo w cylindrze 1. Płaskie łopatki 3 mogą się przesuwać w rowkach wirnika. Użebrowany cylinder jest chłodzony powietrzem za pomocą wentylatora osadzonego na przedniej końcówce wału wirnika. Łopatki wirnika dzielą przestrzeń gazową na komory, w których odbywa się sprężanie.

Rysunek 9. Przekrój poprzeczny sprężarki łopatkowej KR-2, produkcji krajowej (1 - cylinder, 2 - mimośrodowy wirnik, 3 - ruchome łopatki, 4 - osłona)

W czasie pracy ruchome łopatki są dociskane do gładzi cylindra siła dośrodkową. Stalowe łopatki wymagają smarowania, by zmniejszyć ich tarcie o gładź cylindra. W małych sprężarkach łopatki są wykonane z grafitu z domieszką ołowiu lub ze stopu łożyskowego.

Wydajność sprężarek łopatkowych Q = 0,008 ÷ 1,5 [m³/s].

Wydajność rzeczywista (strumień objętości) Q_r sprężarki łopatkowej oblicza się z zależności

[m³/s]

w której:

• e - mimośrodowość w [m]

• l - długość cylindra w [m]

• n - prędkość obrotowa wirnika w [obr/min]

• D - średnica cylindra w [m]

• g - grubość łopatki w [m]

• z - liczba łopatek

• λ - współczynnik wydajności (λ = 0,7 ÷ 0,97)

Stosunek największej objętości pojedynczej komory do jej objętości w położeniu, w którym sprężanie jest zakończone i rozpoczyna się wtłaczanie gazu, nazywa się stopniem sprężania albo sprężem.

W przypadku jednostopniowych sprężarek łopatkowych spręż
, a w dwustopniowych
. Sprężanie dwustopniowe wymaga chłodzenia międzystopniowego. Wykresem sprężania w sprężarkach łopatkowych jest najczęściej politropa o wykładniku m > k (dla m = 1,5 ÷ 1,6).

Znając wydajność rzeczywistą sprężarki Q_r, jej sprawność mechaniczną η_m oraz średnie ciśnienie indykowane p_i (wyznaczone z wykresu pracy sprężarki) można obliczyć moc potrzebną do sprężania czynnika roboczego i moc potrzebną do napędu sprężarki (wzory te same co przy sprężarce tłokowej). W obliczeniach dla sprężarek łopatkowych przyjmuje się η_m = 0,85 ÷ 0,82 zależnie od wielkości sprężarki. Moc silnika napędowego sprężarki przyjmuje się o 15% większą od obliczonej (P_s = 1,15 P_N).

3.2.4. Sprężarka z pierścieniem wodnym

Sprężarka z pierścieniem wodnym jest podobna do sprężarki łopatkowej z tą różnicą, że jej kadłub jest częściowo wypełniony wodą. Ruch obrotowy wirnika powoduje odrzucenie wody na ścianki kadłuba i wytworzenie uszczelniającego pierścienia wodnego. Powierzchnia wewnętrzna tego pierścienia odgrywa rolę cylindra.

Jeżeli wirnik z zamocowanymi na jego obwodzie łopatkami (rys. 10) umieści się mimośrodowo w okrągłym kadłubie, to między pierścieniem wodnym a piastą wirnika powstaną komory o sierpowych przekrojach poprzecznych. Do komór doprowadza się gaz pod niskim ciśnieniem, a odprowadza się z nich gaz sprężony. Omówiony schemat ilustruje budowę sprężarki pojedynczego działania (jednokomorowej).

Rysunek 10. Schemat sprężarki z pierścieniem wodnym pojedynczego działania

W przypadku sprężarki podwójnego działania (dwukomorowej) okrągły wirnik umieszczony jest w eliptycznym kadłubie. Wirnik taki dzieli przestrzeń cylindra na dwie komory pracujące równolegle.

Sprężarki z pierścieniem wodnym mają wydajność
[m³/s], a ich spręż
4.

Sprężarki z pierścieniem wodnym mają ograniczone zastosowanie z powodu dużej wilgotności sprężonego przez nie gazu.

3.2.5. Sprężarki z wirującymi tłokami (krzywkowe)

Organem czynnym takiej sprężarki jest wirnik (lub dwa wirniki) roboczy wyposażony w tłoki o kształtach krzywek. Wirniki - roboczy i pomocniczy (bierny) - obracające się w przeciwnych kierunkach, są napędzane za pośrednictwem tej samej przekładni zębatej umieszczonej na zewnątrz kadłuba sprężarki. Kształty tłoków i cylindra są tak dobrane, że podczas obrotu tłoki pozostają w stałym styku z gładzią cylindra.

Spośród wielu odmian sprężarek z wirującymi tłokami najbardziej rozpowszechniły się sprężarki typu Roots (rys. 11). W obudowie 1 takiej sprężarki są umieszczone dwa przeciwbieżne obracające się wirniki 2. Każdy wirnik może mieć dwa lub trzy tłoki. Między tłokami a obudową tworzą się komory, których objętość zwiększa się po stronie ssania, a zmniejsza po stronie tłoczenia. Pulsujące działanie sprężarki powoduje dość przykry hałas, co stanowi poważna jej wadę. Dawniej były one często stosowane jako dmuchawy w hutnictwie oraz do przepłukiwania i doładowywania silników spalinowych. Obecnie w silnikach spalinowych nie są już stosowane ze względu na hałaśliwą pracę.

Rysunek 11. Schemat sprężarki krzywkowej typu Roots (1 - kadłub, 2 - wirnik)

Główne zalety sprężarek z wirującymi tłokami to duża trwałość, zwarta konstrukcja i dostarczanie niezaolejonego gazu. Sprężarki takie osiągają wydajność nawet do 6000 [m3/h]. Najczęściej są stosowane jako sprężarki o niskim sprężu (v = 1,2 ÷ 14). Prędkość obrotowa tłoków zawiera się w granicach 300 ÷ 9500 [obr/min].

3.2.6. Sprężarki śrubowe

Sprężarki śrubowe (rys. 12) są to sprężarki wyporowe, których dwa wirniki w kształcie śrub obracają się w odpowiednio ukształtowanym kadłubie. Wirniki wzajemnie się zazębiają, obracając się w przeciwnych kierunkach. Wirnik napędzający może mieć dwa lub cztery zwoje śrubowe.

Rysunek 12. Schemat sprężarki śrubowej (1 - kadłub, 2 wirnik napędzający, 3 - wirnik napędzany, 4 - przekładnia zębata sprzęgająca wrzeciona)

Sprężarki śrubowe mają bardzo zróżnicowaną wydajność objętościową (Q_v = 250 ÷ 18000 [m3/h]) i dużą rozpiętość sprężu (v = 2,5 ÷ 4,0). Mogą też pracować jako ssawy i wytwarzać próżnię do 80%. Współczynnik wydajności λ = 0,7 ÷ 0,9.

4. Sprężarki wirowe (przepływowe)

4.1. Podział i zasada działania

Sprężarki wirowe dzieli się na osiowe, promieniowe (rys. 13) i osiowo-promieniowe. Są one budowane jako jedno- i wielostopniowe. Liczbę stopni sprężarki określa liczba wirujących wieńców łopatkowych.

W zależności od prędkości gazu rozróżnia się sprężarki wirowe naddźwiękowe i poddźwiękowe. Te pierwsze są stosowane w lotnictwie, pozostałe, tj. poddźwiękowe, mają bardzo szerokie zastosowanie.

Przyjmuje się, że w teoretycznej sprężarce wirnikowej, podobnie jak w sprężarkach tłokowych, krzywa sprężania jest adiabatą (krzywa ΔQ = 0 na rys. 3). Ponieważ w przypadku sprężarki teoretycznej nie uwzględnia się strat, więc zachodząca w niej przemiana adiabatyczna jest przemianą odwracalną, tzn. izentropową.

Sprężarki wirowe dostarczają dużych ilości sprężonego gazu, lecz uzyskiwany w nich przyrost ciśnienia jest stosunkowo niewielki. Dlatego można przyjąć, że proces sprężania w rzeczywistej sprężarce odbywa się adiabatycznie. Jednak ze względu na występujące straty (ciepło tarcia wydzielające się w sprężarce) przemiana ta nie jest odwracalna i może być traktowana jako przemiana politropowa.

4.2. Typowe rozwiązania konstrukcyjne

4.2.1. Sprężarka osiowa

Sprężarka osiowa (rys. 14) składa się z następujących podstawowych elementów przepływowych: króćca wlotowego 1, kompletu stopni, w skład którego wchodzą wirujące wieńce łopatkowe 5 (zamocowane na wirniku) i nieruchome wieńce łopatkowe 2 (osadzone w kadłubie), dyfuzora 3 oraz króćca wylotowego 4.

Rysunek 14. Schemat sprężarki osiowej (1 - króciec wlotowy, 2 - nieruchome wieńce łopatkowe (kierownicze), 3 - dyfuzor, 4 - króciec wylotowy, 5 - wirujące wieńce łopatkowe)

Wirnik sprężarki osiowej może mieć konstrukcję bębnową (jak na rys. 14) lub może się składać z oddzielnych tarcz zamocowanych na jednym wale.

W zależności od zastosowania sprężarki osiowe są budowane o bardzo zróżnicowanej wydajności objętościowej (Q_v = 10 ÷ 200 [m3/s]) i różnym sprężu (v = 1,13 ÷ 12,0). Ich prędkość obrotowa jest bardzo duża i dochodzi do 30000 [obr/min].

W sprężarkach osiowych na ogół nie stosuje się chłodzenia gazu w czasie sprężania. Są one stosowane głównie w lotniczych silnikach turbospalinowych, w przemysłowych i energetycznych turbinach gazowych oraz w hutnictwie.

Zalety sprężarek osiowych to duża sprawność w znamionowych warunkach pracy oraz duża wydajność przy stosunkowo małych wymiarach. Główną ich wadę stanowi mniejszy spręż uzyskiwany w jednym stopniu, w porównaniu ze sprężem jednego stopnia sprężarki promieniowej. Stąd konieczność budowania sprężarek o dużej liczbie stopni.

4.2.2. Sprężarka promieniowa

Sprężarkę promieniową jednostopniową przedstawia rys. 15. W jej skład wchodzą następujące elementy przepływowe: króciec wlotowy 1, koło wirnikowe 2 z łopatkami, dyfuzor bezłopatkowy 3, kolektor zbiorczy 4 i króciec wylotowy 5. Sprężarka ta jest napędzana za pośrednictwem przekładni przyspieszającej 6 i jest wyposażona w pompę oleju 7.

Dla uzyskania większego stopnia sprężania są budowane sprężarki wielostopniowe (do 12 stopni), z wirnikami połączonymi szeregowo. Sprężarka wielostopniowa jest wyposażona w chłodnice międzystopniowe.

Wielostopniowe sprężarki promieniowe są budowane jako jednowałowe lub wielowałowe. W sprężarkach jednowałowych wszystkie koła wirnikowe pracują z jednakową prędkością, w sprężarkach wielowatowych zaś prędkości obrotowe kół wirnikowych mogą być różne.

Rysunek 15. Jednostopniowa sprężarka promieniowa (1 - króciec wlotowy, 2 - koła wirnikowe, 3 - dyfuzor bezłopatkowy, 4 - kolektor zbiorczy, 5 - króciec wylotowy, 6 - przekładnia przyspieszająca, 7 - pompa oleju)

Sprężarki promieniowe są budowane o wydajności Q_v = 1,2 ÷ 30 [m³/s] oraz sprężu v = 1,13 ÷ 12,0. Sprężarki promieniowe pracują w dużym zakresie prędkości obrotowej (n = 3000 ÷ 30000 [obr/min]).

Największa zaletą sprężarek wirowych promieniowych jest duży spręż uzyskiwany w jednym stopniu. Poza tym sprężarki te cechuje wysoka sprawność w znamionowych warunkach pracy.

4.3. Charakterystyki sprężarek wirowych

Charakterystyką sprężarki jest wykres zależności ciśnienia tłoczenia p_z, mocy P_N i sprawności η_e od wydajności Q_v. Charakterystykę przedstawioną na wykresie (rys. 16) sporządzono przy założeniu stałej prędkości obrotowej, stałego ciśnienia p_s i stałej temperatury T_s czynnika na wlocie do sprężarki. Na wykresie zaznaczono punkt A, odpowiadający największemu ciśnieniu tłoczenia p_z. Nazwano go punktem krytycznym. Odcinkowi charakterystyki leżącemu na lewo od punktu A odpowiada niedostateczna praca sprężarki.

W przypadku zbyt małej wydajności, określonej punktem krytycznym, praca sprężarki staję się niespokojna, następują przerywy w tłoczeniu gazu, jego chwilowy przepływ przez sprężarkę w odwrotnym kierunku i drgania sprężarki. Towarzyszą temu cykliczne odgłosy podobne do charakterystycznych dla pompy tłokowej. Stąd zjawisko to nazwano pompowaniem sprężarki. Dłuższa praca sprężarki w warunkach pompowania jest niedopuszczalna. Zjawisko pompowania stanowi poważna wadę sprężarek wirowych.

Statecznej pracy sprężarki wirowej odpowiada odcinek charakterystyki położony na prawo od punktu A. Najbardziej ekonomiczna jest praca sprężarki przy wydajności odpowiadającej największej sprawności η_{e max}. Parametry sprężarki odpowiadające jej największej sprawności nazwano parametrami optymalnymi. Sprawności η_{e max} odpowiadają więc ciśnienie p_{z opt} i moc P_{N opt}.

Bibliografia

1. Bożenko L.: Maszynoznawstwo. Warszawa: WSiP 19988

2. Sell L.: Maszynoznawstwo ogólne i części maszyn w pytaniach i odpowiedziach. Warszawa: WNT 1980

3. Kijewski J., A. Miller, K. Pawlicki, T. Szolc: Maszynoznawstwo. Warszawa: WSiP 1993

19

Promieniowe

Diagonalne

Osiowe

Bezkorbowe

silinkosprężarki

Membranowe

Tłokowe

Rotacyjne

Przepływowe (wirowe)

Objętościowe (wyporowe)

Sprężarki

Rysunek 3. Przebieg sprężania w teoretycznej sprężarce tłokowej

Rysunek 4. Wykres indykatorowy jednostopniowej sprężarki rzeczywistej

Rysunek 5. Schemat sprężarki tłokowej o dwóch stopniach sprężania

Rysunek 6. Przebieg sprężania w teoretycznej sprężarce tłokowej o dwóch stopniach sprężania

Rysunek 13. Sprężarka promieniowa jednostopniowa (1 - króciec wlotowy, 2- wirnik, 3 - dyfuzor, 4 - króciec tłoczny)

Rysunek 16. Charakterystyka sprężarki wirowej

---