Компрессор — машина, предназначенная для сжатия, перемещения и подачи воздуха или другого газа под давлением.
Основы теории центробежных машин были заложены Эйлером, теория осевых компрессоров и вентиляторов создавалась благодаря трудам Н. Е. Жуковского, С. А. Чаплыгина и других ученых.
По назначению компрессоры подразделяются на воздушные и газовые (кислородные) машины.
Наибольшее распространение получили воздушные компрессоры, или компрессоры общего назначения. Эти машины вырабатывают сжатый воздух давлением до 5,0 МПа, который широко применяется в промышленности. Например, в металлургии сжатый воздух используется в качестве дутья для доменных и мартеновских печей, вагранок, нагревательных и термических печей, в энергетике — для нагнетания в топки котлов и камеры сгорания.
Сжатый воздух как энергоноситель используется для привода различных пневмомеханизмов, молотов, трамбовок, вибраторов, обрубных молотов, патронов для зажима деталей в станках, пневмоподъемников.
Воздух широко используется для транспортировки сыпучих сред, для перемешивания материалов, для сепарации пыли и для многих других процессов.
Развитие сети газопроводов природного газа и увеличение их протяженности способствовали развитию газовых компрессоров на высокие давления — до 40 МПа и выше. Для доставки природного газа в пункт потребления через каждые 100—150 км газопроводов необходимо устанавливать компрессорные станции, перекачивающие до нескольких миллионов кубометров газа в сутки.
Особую группу составляют кислородные компрессоры, которые имеют специальную смазку рабочих органов, особую конструкцию уплотнений для предотвращения утечки кислорода и другие особенности.
По принципу действия и основным конструктивным особенностям различают компрессоры поршневые, ротационные, центробежные, осевые, струйные и турбокомпрессоры.
Поршневой компрессор в основном состоит из рабочего цилиндра и поршня; имеет всасывающий и нагнетательный клапаны, расположенные обычно в крышке цилиндра. Для сообщения поршню возвратно-поступательного движения в большинстве поршневых компрессоров имеется кривошипно-шатунный механизм с коленчатым валом. Поршневые компрессоры бывают одно- и многоцилиндровые, с вертикальным, горизонтальным, V- или W-образным и иным расположением цилиндров, одинарного и двойного действия (когда поршень работает обеими сторонами), а также одноступенчатого или многоступенчатого сжатия. Работа одноступенчатого воздушного поршневого компрессора заключается в следующем. При вращении коленчатого вала соединенный с ним шатун сообщает поршню возвратные движения. В это время в рабочем цилиндре из-за увеличения объема, заключенного между днищем поршня и крышкой цилиндра, возникает разрежение, и атмосферный воздух, преодолев своим давлением сопротивление пружины, удерживающей всасывающий клапан, открывает его и через воздухозаборник (с фильтром) поступает в рабочий цилиндр.
При обратном ходе поршня воздух будет сжиматься, а затем, когда его давление станет больше давления в нагнетательном патрубке на величину, способную преодолеть сопротивление пружины, прижимающей к седлу нагнетательный клапан, воздух открывает последний и поступает в трубопровод. При сжатии газа в компрессоре его температура значительно повышается.
Для предотвращения самовозгорания смазки компрессор оборудуется водяным или воздушным охлаждением.
При этом процесс сжатия воздуха будет приближаться к изотермическому (с постоянной температурой), который является теоретически более выгодным. Характерная особенность этих машин — периодичность рабочего процесса.
Ротационные компрессоры имеют один или несколько роторов, которые бывают различных конструкций. Значительное распространение получили ротационные пластинчатые компрессоры. Они имеют роторы с пазами, в которые свободно входят пластины. В цилиндре корпуса ротор расположен эксцентрично. При его вращении по часовой стрелке пространства, ограниченные пластинами, а также поверхностями ротора и цилиндра корпуса, в левой части компрессора будут возрастать, что обеспечит всасывание газа через отверстие. В правой часта компрессора объемы этих пространств уменьшаются, находящийся в них газ сжимается и затем подается из компрессора в холодильник или непосредственно в нагнетательный трубопровод. Корпус ротационного компрессора охлаждается водой, для подвода и отвода которой предусмотрены трубы. Двухступенчатые пластинчатые ротационные компрессоры с промежуточным охлаждением газа обеспечивают давление до 1,5 Мн/м2. Степень повышения давления в одной ступени пластинчатого ротационного компрессора обычно бывает от 3 до 6 Мн/м2.
Принципы действия ротационного и поршневого компрессора в основном аналогичны. Отличаются они лишь тем, что в поршневом все процессы происходят в одном и том же месте (рабочем цилиндре), но в разное время (из-за чего и потребовалось предусмотреть клапаны). В ротационном компрессоре всасывание и нагнетание осуществляются одновременно, но в различных местах, разделенных пластинами ротора. Известны другие конструкции ротационных компрессоров, в том числе винтовые, с двумя роторами в виде винтов. Для удаления воздуха с целью создания разрежения в каком-либо пространстве применяют роторные водокольцевые вакуум-насосы. Регулирование производительности ротационных компрессоров осуществляется обычно изменением частоты вращения их ротора.
Центробежный компрессор в основном состоит из корпуса и ротора, имеющего вал с симметрично расположенными рабочими колесами. Центробежный 6-ступенчатый компрессор разделен на 3 секции и оборудован двумя промежуточными холодильниками, из которых газ поступает в необходимые каналы. Во время работы центробежного компрессора частицам газа, находящимся между лопатками рабочего колеса, сообщается вращательное движение, благодаря чему на них действуют центробежные силы. Под действием этих сил газ перемещается от оси компрессора к периферии рабочего колеса, претерпевает сжатие и приобретает скорость. Сжатие продолжается в кольцевом диффузоре из-за снижения скорости газа, т. е. преобразования кинетической энергии в потенциальную. После этого газ по обратному направляющему каналу поступает в другую ступень компрессора. Получение больших степеней повышения давления газа в одной ступени (более 25—30, а у промышленных компрессоров 8—12) ограничено главным образом пределом прочности рабочих колес. Допускающие окружные скорости до 280—500 м/с. Важной особенностью центробежных компрессоров (а также осевых) является зависимость давления сжатого газа, потребляемой мощности, а также КПД от производительности. Характер этой зависимости для каждой марки компрессора отражается на графиках, называемых рабочими характеристиками. Регулирование работы центробежных компрессоров осуществляется различными способами, в том числе изменением частоты вращения ротора, дросселированием газа на стороне всасывания и другими различными способами.
Осевой компрессор имеет ротор, состоящий обычно из нескольких рядов рабочих лопаток. На внутренней стенке корпуса располагаются ряды направляющих лопаток. Всасывание газа происходит через канал. Одну ступень осевого компрессора составляет ряд рабочих и ряд направляющих лопаток. При работе осевого компрессора вращающиеся рабочие лопатки оказывают на находящиеся между ними частицы газа силовое воздействие, заставляя их сжиматься, а также перемещаться и вращаться. Решетка из неподвижных направляющих лопаток обеспечивает главным образом изменение направления скорости частиц газа, необходимое для эффективного действия следующей ступени.
В некоторых конструкциях осевых компрессоров между направляющими лопатками происходит и дополнительное повышение давления за счет уменьшения скорости газа.
Степень повышения давления для одной ступени осевого компрессора обычно равна 1,2—1,3, т. е. значительно ниже, чем у центробежных компрессоров, но КПД у них достигнут самый высокий из всех разновидностей компрессоров. Зависимость давления, потребляемой мощности и КПД от производительности для нескольких постоянных частот вращения ротора при одинаковой температуре всасываемого газа представляют в виде рабочих характеристик.
Регулирование осевых компрессоров осуществляется так же, как и центробежных. Осевые компрессоры применяют в составе газотурбинных установок (см. «Газотурбинный двигатель»). Техническое совершенство осевых, а также ротационных, центробежных и поршневых компрессоров оценивают по их механическим КПД и некоторым относительным параметрам, показывающим, в какой мере действительный процесс сжатия газа приближается к теоретически выгодному в данных условиях.
Струйные компрессоры по устройству и принципу действия аналогичны струйным насосам. К ним относят струйные аппараты для отсасывания или нагнетания газа или парогазовой смеси. Струйные компрессоры обеспечивают более высокую степень сжатия, чем струйные насосы. В качестве рабочей среды часто используют водяной пар.
В турбокомпрессорах сжатие происходит вследствие использования сил инерции потока газа. Преобразование энергии в таких машинах можно условно расчленить на два этапа: на первом этапе газу сообщается кинетическая энергия (например, вращающимся лопаточным аппаратом), на втором этапе поток газа тормозится и его кинетическая энергия преобразуется в потенциальную. Оба этапа могут совершаться и одновременно. Характерная особенность этих машин — непрерывность рабочего процесса.
По направлению движения потока различают центробежные и осевые турбокомпрессоры. В центробежных машинах поток движется радиально (от центра к периферии вращающегося рабочего колеса), а в осевых машинах поток параллелен оси вращения рабочего колеса.
