SCREW COMPRESSORS IN REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING
Professor Nikola Stošić
Centre for Positive Displacement Compressor Technology
City University, London, EC1V 0HB, England
Компрессоры, используемые для промышленного, коммерческого и внутреннего применения, потребляют приблизительно 17% продукции электроэнергии в мире. Большинство их имеет положительный темп прироста производства, и существующий темп мирового производства сверх 200 миллионов единиц в год. Большинство из них используется для систем охлаждения и сжатого воздуха. Хотя поршневые компрессоры по-прежнему доминировать на этом рынке, многие другие типы имеют значительную долю. Среди этих, винтовые компрессоры имеют большую роль, особенно там, где есть требования высокой мощности и размеры машины относительно большие.
Помимо их использования в холодильных установках и системах кондиционирования воздуха, значительное число винтовых компрессоров используются в строительстве, пищевой, обрабатывающей и фармацевтической промышленности, а также для металлургии и пневматического транспорта.
Винтовые компрессоры представляют собой, в сущности, простые объемные машины, в которых движущиеся части работают с чисто вращательным движением. Это позволяет им работать на более высоких скоростях при меньшем износе, чем большинство других типов компрессоров. Следовательно, они в пять раз легче, чем их поршневые аналоги такой же емкости и примерно в десять раз больший срок эксплуатации между ремонтами. Кроме того, их внутренняя геометрия такова, что они имеют пренебрежимо малый объем зазора и пути утечки сжатого воздуха в них уменьшаются. Таким образом, при условии, что рабочие зазоры между роторами и между роторами и корпусом, являются небольшими, они могут поддерживать высокий объемный и адиабатический КПД в широком диапазоне рабочих давлений и потоков. Специализированные станки позволяют создавать наиболее сложные формы роторов, кторый должны быть изготовлены с допусками порядка 5 мкм или менее по доступной стоимости. Использование их в производстве винтовых компрессоров, вместе с достижениями в подшипниках качения, привели к значительным усовершенствованиям производительности, а также повышение доли всех объемных компрессоров, которые продаются и в настоящее время для операций данного типа. Следовательно, как указал Fleming и др. 1998, в обзоре современного дизайна, моделирования и оптимизации винтовых компрессоров, преимущественно для холодильной техники, развитие этих машин является одним из величайших историй успеха в последней четверти ХХ века, хотя до этого времени они практически не использовались.
Исторически, Lysholm, 1942 первым опубликовал работу про асимметричной винтовой профиль ротора, с небольшой дуть-луночной областью, которые легли в основу современных винтовых профилей компрессора. Изобретение метода нагнетание в пласт микроэмульсий, в 1955 году, был сделан серьезный прорыв в применении винтовых компрессоров, которые привели к удешевлению машин без синхронизации шестерен и уплотнений и, следовательно, их возрастающей популярности в системах охлаждения. Однако, серьезную работу с винтовыми компрессорами начали только около 30 лет назад, когда впервые стало возможно изготовление роторов, которые выполняли требования для разумной эффективности компрессора. С тех пор много патентов в области винтовых профилей ротора компрессора привели к успешному современному дизайну. Как раз, Bammert, 1979, Shibbie, 1979, Astberg 1982 и Ohman, 2000, запатентовали свои работы в асимметричных и «низкого»-контактных роторах. Их профили были использованы для различных применений, начиная, в основном с воздушных компрессоров, но затем, почти сразу, применение в холодильном оборудовании. Rinder, 1987, запатентоваал роторы, которые используются исключительно в холодильных компрессорах. Kasuya, 1983, Lee, 1988 и Chia-Hsing 1995 запатентовали роторы специально для охлаждения, которые позже распространились на другие области. Роторы, запатентованные Stosic, 1996 описают семью роторов, которые подходят для широкого спектра применений, в которых охлаждение является основным применением.
Несмотря на растущую популярность винтовых компрессоров, осведомленность общественности и понимание их режимов работы еще ограничены. Самое раннее упоминание в учебниках Сакин, 1960 и Амосов и др., 1977, были опубликованы на русском языке. Впоследствии, Rinder, 1979, и Конка, 1988, опубликовал книги на немецком языке, в то время как публикации на английском языке вышли только позже O’Neill, 1993 и Arbon, 1994. Недавно, Xing, 2000 опубликовал справочное пособие на китайском языке, который уже оказал положительное влияние на новый винт, производителей компрессоров на Дальнем Востоке. Учебники про шестерни дают очень хорошую основу для понимания принципов профилирования винтовых роторов. Один из них, Litvin, 1994, недавно был использован в качестве серьезной ссылка для профилирования ротора винтовых компрессоров. Только в последнее время, большое количество журнальных публикациях появились про винтовые компрессоры, такие, как Fujiwara и др., 1995, который создал свою фундаментальную работу в области винтовых компрессоров моделирования, которая много используется для развития различных типов компрессоров, в том числе для холодильных систем.
В настоящее время ведутся регулярные международные конференции, которые обсуждают компрессоры. Это, конференция по разработке компрессора Purdue University в США, конференция IMechE по компрессорам и их системам, в Великобритании, техническая конференция SRM в Швеции, ‘Schraubenkompressoren Tagung’ VDI в Германии и конференции по Методу Компрессора в Китае. Несмотря на то, они ограничиваются только СРМ лицензиатами, конференции в Швеции заботятся и делает регулярные взносы для работ про современные винтовые компрессоры, как и германская конференция, посвященная исключительно винторезным станкам. Все эти конференции являются ценным источником актуальной информации по винтовым компрессорам. Например, Sangfors, 1982, представлен один из первых документов, про современные модели винтовых компрессорных процессов. Sauls написал ряд работ, в период с 1992 по 2002 год, в которых отражены важные стороны и предлагаемые меры, необходимые для производства лучших холодильных винтовых компрессоров.
Невозможно рассмотреть достижения прогресса винтовых компрессоров без учета работы, посвященных производству роторов, инструментов и развития инструментальных машины. Значительным шагом вперед в этой области стало сочетание одновременного шлифования с проверкой профиля и его коррекции в современной практике, которая становится все более популярной, Holmes и Stephen 1999. Сегодня конкуренция между производителями станков для производства шурупов ротора так же жестока, как среди производителей компрессоров.
В последние годы произошел целый ряд оживленных слияний и покупок ИБП малых компрессоров с более крупными. Кроме того, новые рынки в Китае, Индии и других развивающихся странах привели к тому, что образуются новые винтовые компрессорные компании, а также там крупнейшими производителями строятся заводы. Новые компании перенаправляют большую часть своей прибыли в развитие винтовых компрессоров и быстро приобретают знание компрессорной техники. Ряд традиционных компрессоров сталкивается со свежей конкуренцией, оперативно реагируют на эту задачу и следуют их примеру. Это привело к востребованности институтов, специализирующихся в винтовых компрессорных исследованиях и развитиях, которые может предоставлять услуги винтовой компрессорной индустрии, особенно для новых производителей, которые не имеют собственного дизайна и испытательного оборудования.
Исследование и разработка профилей ротора недавно были оба стимулировали и способствовали достижениям в области математического моделирования и компьютерного моделирования тепловых процессов и потока жидкости в компрессоре. Эти аналитические методы могут быть объединены, чтобы сформировать мощные инструменты для анализа и оптимизации процессов и неуклонно набирают авторитет, как одного из средств совершенствования процедур проектирования. Ранее подход интуитивного изменения, проверка нудных испытаний и ошибок, тем самым медленно, но верно устраняющихся. В результате оптимального проектирования винтовые компрессоры существенно изменились за последние десять лет и, скорее всего, это приведет к дополнительным улучшениям в производительности машины в ближайшем будущем.
Теперь, когда узкие зазоры достижимы, стали малы внутренние нормы утечки компрессора. Следовательно, дальнейшие улучшения возможны только за счет внедрения более принципиального изысканного дизайна. Ключевым требованием для успешного проектирования всех типов компрессоров является возможность точно предсказать влияние на производительность изменения в любую конструкцию таких параметров, как зазор, роторный профиль формы, масла или жидкости для инъекций положения и скорости, диаметр ротора и скоростные пропорции. В случае с винтовыми компрессорами, основным требованием является улучшение профилей ротора так, что область внутреннего потока через компрессор увеличивается, а пути утечки сводится к минимуму. Кроме того, внутренние трения из-за относительного движения между соприкасающимися роторами должно быть как можно меньше, для того чтобы позволить более высокие скорости ротора без чрезмерных механических потерь. Последние усовершенствования в конструкции подшипника делает возможным процесс жидкой смазки в некоторых конструкциях.
Также уплотнения стали сегодня более эффективными. Все эти разработки могут быть использованы для производства более эффективных, лёгких и дешёвых винтовых компрессоров.
Разработка винтовых компрессоров для холодильных систем сейчас настолько продвинуты, что ни одной деталью в конструкции их роторов, корпусов и других компонентов нельзя пренебречь, если производители хотят оставаться конкурентоспособными. Несмотря на это, все еще существуют возможности для значительного улучшения, как лучшего профилирования ротора, так и применение методов оптимизации всей конструкции компрессора. Полная компрессорная оптимизация, которая ранее не была широко использована, особенно важно теперь и, если его правильно применять, приводит к уникальной конструкции компрессора для каждой области производства.
Эффективности холодильных винтовых компрессоров очень сильно зависит от их профилей ротора и распределения зазора. Ранее, ошибочно полагали, что, помимо этого, мало что можно сделать, чтобы повысить эффективность винтовых компрессоров в холодильных системах. Однако пристальное внимание должно быть уделено всем остальным компонентам компрессора, такие как соединения, подшипники, уплотнения и смазочные системы, чтобы получить лучшие результаты. Если все эти факторы учитываются одновременно, путем использования процедур оптимизации в процессе проектирования, есть еще дополнительные возможности для их совершенствования. Использование таких процедур, при использовании современных методов генерации ротора, приведет в специализированных конструкциям компрессоров уникальным для каждого приложения, с более сильными, но более легкими роторами, доходность которых выше и, которые более компактные и эффективные. Кроме того, за счет использования оптимальных профилей, можно комбинировать более чем одну функцию, такие как двух ступенчатое сжатие или оба сжатия и расширения в одной машине, используя только одну пару роторов. Последний, в частности, предлагается с большими возможностями для улучшения путем замены контролируемое расширение, из которого управление может быть восстановлено, в месте дросселирования в циклах сжатия паров. Используя эти принципы, создаются новые и значительно улучшенные холодильные компрессоры такого типа.
Использованные источники
Amosov P.E et al, 1977 Vintovie Kompresornie Mashinii — Spravochnik (Screw Compression Machines — Handbook), Mashinstroienie, Leningrad
Arbon I.M, 1994 The Design and Application of Rotary Twin-shaft Compressors in the Oil and Gas Process Industry, MEP London
Astberg A, 1982 Patent GB 2092676B
Bammert K, 1979 Patent Application FRG 2911415
Chia-Hsing C, 1995 Patent US 5,454,701
Edstroem S. E, 1992 A Modern Way to Good Screw Compressor Rotors, 1992 International Compressor Engineering Conference at Purdue, 18
Fleming J. S, Tang Y, Cook G, 1998 The Twin Helical Screw Compressor, Part 1: Development, Applications and Competetive Position, Part 2: A Mathematical Model of the Working process, Proceedings of the IMechEng, Journal of Mechanical Engineering Science, 212, 369
Fujiwara M, Osada Y, 1995 Performance Analysis of Oil Injected Screw Compressors and their Application, International Journal of Refrigeration 18, 4
Hanjalic K, Stosic N, 1997 Development and Optimisation of Screw Machines with a Simulation Model, Part II: Thermodynamic Performance Simulation and Design, ASME Transactions, Journal of Fluids Engineering, Vol 119, p 664
Holmes C S. and Stephen A. C, 1999 Flexible Profile Grinding of Screw Compressor Rotors, International Conference on Compressors and Their Systems, IMechE London
Kasuya K. et al, 1983 Patent US 4,406,602
Konka K-H, 1988 Schraubenkompressoren (Screw Compressors) VDI-Verlag, Duesseldorf
Kovacevic A, Stosic N, Smith I. K. and Mujic E, 2004 Development of the Management Interface for Screw Compressor Design Tools, 5th Int Symp on Tools and Methods of Competitive Engineering, Lausanne
Lee H-T, 1988 Patent US 4,890,992
Litvin F.L, 1994 Gear Geometry and Applied Theory Prentice-Hill, Englewood Cliffs, NJ
Lysholm A, 1942 A New Rotary Compressor, Proc. IMech.E. 150, 11
Ohman H, 2000 Patent WO2000075578
O’Neill P. A, 1993 Industrial Compressors, Theory and Equipment, Butterworth- Heinemann, Oxford
Rinder L, 1979 Schraubenverdichter (Screw Compressors), Springer Verlag, New York
Rinder L, 1987 Patent US 4,643,654
Sakun I. A, 1960 Vintovie kompresorii (Screw Compressors), Mashinostroenie Leningrad
Sangfors B, 1982 Analytical Modelling of Helical Screw Machine for Analysis and Performance Prediction, 1992 International Compressor Engineering Conference at Purdue, 135
Sauls J, 1994 The Influence of Leakage on the Performance of Refrigerant Screw Compressors, Proc. VDI Tagung «Schraubenmaschinen 94», Dortmund VDI Berichte 1135
Sauls J, 1998 An Analytical Study of the Effects of Manufacturing on Screw Rotor Profiles and Rotor Pair Clearances, Proc. VDI Tagung «Schraubenmaschinen 98», Dortmund VDI Berichte 1391
Shaw D. N, 1999 Patent US 5,911,734
Shibbie C. B, 1979 Patent US 4,140,445
Smith I. K, Stosic N and Kovacevic A, 2001 Use of Screw Machines as a Throttle Valve Replacement in Refrigeration Plants, Journal of Mechanical Engineering (Strojniski Vestnik), Ljubljana, Slovenia, 47(8)484
Stosic N, 1996 Patent Application GB 9610289.2
Stosic N, 1998 On Gearing of Helical Screw Compressor Rotors, Proceedings of IMechE, Part C, Journal of Mechanical Engineering Science, 212, 587
Stosic N, Smith I. K. and Kovacevic A, 2003a Rotor Interference as a Criterion for Screw Compressor Design, Journal of Engineering Design, 14(2)209
Stosic N, Smith I. K. and Kovacevic A, 2003b Optimisation of Screw Compressors, Journal of Applied Thermal Engineering, 23(10)1177
Stosic N, Smith I. K. and Kovacevic A, 2003c Opportunities for Innovation with Screw Compressors, Proceedings of ImechE, Part E, Journal of Process Mechanical Engineering, 217(3)157
Xing Z. W, 2000 Screw Compressors, Machine Press, Beijing
Xing Z. W, Peng, X. and Shu P, 2000 Development and Application of a Software Package for Design of Twin Screw Compressors, 2000 International Compressor Conference at Purdue, 1011
Zhong J, 2002 US Patent 6,422,846