Двухвинтовой нагнетатель

Двухвинтовой нагнетатель — это объёмная роторная машина, предназначенная для сжатия и перемещения газов или газовых смесей за счёт вращения двух синхронизированных винтовых роторов (винтов) с профилированными зубьями, расположенных в корпусе с двумя параллельными цилиндрическими расточками. Относится к классу компрессорного оборудования и является разновидностью винтовых компрессоров, отличаясь от одновинтовых и маслозаполненных конструкций принципом зацепления и смазки.

Принцип действия

Работа двухвинтового нагнетателя основана на принципе объёмного сжатия. Два ротора — ведущий (обычно с выпуклыми зубьями) и ведомый (с вогнутыми впадинами) — вращаются в противоположные стороны внутри корпуса. Роторы не соприкасаются друг с другом и со стенками корпуса; между ними поддерживается минимальный зазор (от 0,01 до 0,1 мм). Вращение синхронизируется парой шестерён, установленных снаружи рабочей камеры.

Газ поступает через всасывающий патрубок в полость между зубьями роторов. При вращении объём полости, занятой газом, изолируется от входа и постепенно уменьшается по мере перемещения вдоль оси роторов к выходному патрубку. Сжатие происходит за счёт уменьшения объёма замкнутой камеры, образованной профилями зубьев и стенками корпуса. В конце цикла сжатый газ выталкивается в нагнетательный трубопровод. Процесс является непрерывным: в каждый момент времени в разных стадиях сжатия находится несколько замкнутых полостей.

Конструкция

Основные элементы двухвинтового нагнетателя:

• Корпус — литая или сварная конструкция, обычно из чугуна, алюминия или стали, с двумя цилиндрическими расточками. Внутренняя поверхность обрабатывается с высокой точностью.
• Роторы — два винта с асимметричным профилем (например, профиль «Липск» или «СРМ»). Изготавливаются из легированной стали, алюминиевых сплавов или композитных материалов. Поверхность зубьев часто подвергается закалке или покрытию для повышения износостойкости.
• Синхронизирующие шестерни — пара зубчатых колёс, установленных на валах роторов снаружи рабочей камеры. Обеспечивают точное взаимное положение роторов без контакта зубьев, что исключает износ и трение в рабочей зоне.
• Подшипники — опорные и упорные подшипники качения или скольжения, воспринимающие радиальные и осевые нагрузки от давления газа.
• Уплотнения — торцевые и лабиринтные уплотнения валов, предотвращающие утечки газа в атмосферу и попадание масла из редуктора в рабочую камеру.
• Всасывающий и нагнетательный патрубки — фланцевые соединения для подключения к трубопроводам.

Отличительная особенность — отсутствие масла в рабочей камере (сухой тип). Смазка подшипников и шестерён осуществляется из отдельной масляной системы, изолированной от газа уплотнениями. Это позволяет получать сжатый газ без примесей масла.

Классификация

Двухвинтовые нагнетатели классифицируются по нескольким признакам:

По типу смазки рабочей камеры

• Сухие (маслонезаполненные) — в рабочую камеру масло не подаётся. Роторы вращаются без контакта, зазоры минимальны. Применяются для сжатия чистых газов, воздуха, кислорода, азота, а также в вакуумной технике.
• Маслозаполненные — в рабочую камеру впрыскивается масло для смазки роторов, охлаждения и уплотнения зазоров. Такие машины обычно имеют более высокую степень сжатия, но требуют системы отделения масла от газа. В строгом смысле термин «двухвинтовой нагнетатель» чаще применяется к сухим машинам, а маслозаполненные называют винтовыми компрессорами.

По числу ступеней

• Одноступенчатые — сжатие происходит за один проход газа через роторы. Степень сжатия обычно не превышает 3–4.
• Двухступенчатые — газ последовательно сжимается в двух камерах с промежуточным охлаждением. Позволяют достичь степени сжатия до 10–15.

По назначению

• Компрессоры — для сжатия газа до избыточного давления (от 0,1 до 1,5 МПа и выше).
• Вакуумные насосы — для откачки газа до разрежения (остаточное давление до 0,01 мбар и ниже). В этом режиме машина работает как вакуумный насос с сухими роторами.

Применение

Двухвинтовые нагнетатели используются в различных отраслях промышленности, где требуется надёжное и чистое сжатие газа:

• Пневмотранспорт — перемещение сыпучих материалов (цемент, мука, зерно, пластиковые гранулы) по трубопроводам с помощью сжатого воздуха.
• Водоочистка и аэрация — подача воздуха в аэротенки для биологической очистки сточных вод. Отличаются низким уровнем шума и высокой энергоэффективностью по сравнению с центробежными нагнетателями.
• Химическая и нефтехимическая промышленность — сжатие технологических газов (азот, водород, углеводороды), где недопустимо загрязнение маслом.
• Пищевая промышленность — подача чистого воздуха для контактирования с продуктами (например, в упаковочных линиях).
• Медицина и фармацевтика — производство сжатого воздуха для дыхательных аппаратов, стерильных помещений.
• Энергетика — наддув топливных газов в газотурбинных установках, подача воздуха в топки котлов.
• Вакуумная техника — откачка газов в процессах сублимационной сушки, дистилляции, в лабораторных установках.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Отсутствие контакта роторов и масла в рабочей камере обеспечивает получение сжатого газа без примесей.
• Высокая надёжность и длительный срок службы (до 20–30 лет при правильной эксплуатации) за счёт отсутствия износа зубьев.
• Низкий уровень вибрации и шума по сравнению с поршневыми компрессорами.
• Возможность работы в широком диапазоне производительности (от 1 до 1000 м³/мин и более).
• Компактность и относительно малая масса.
• Способность работать с газами, содержащими твёрдые частицы или влагу (при соответствующей конструкции).

Недостатки

• Ограниченная степень сжатия на одну ступень (обычно не более 3–4). Для получения высоких давлений требуются многоступенчатые схемы.
• Высокая стоимость изготовления из-за необходимости прецизионной обработки профилей роторов.
• Чувствительность к загрязнениям газа абразивными частицами, которые могут повредить поверхность роторов.
• Необходимость системы охлаждения (воздушного или водяного) для отвода тепла, выделяющегося при сжатии.
• Более низкий КПД по сравнению с винтовыми маслозаполненными компрессорами при одинаковой степени сжатия.

История

Первые патенты на винтовые компрессоры были получены в начале XX века. В 1905 году немецкий инженер Генрих Криг запатентовал конструкцию двухвинтового нагнетателя, однако практическое применение началось только в 1930-х годах после разработки точных методов нарезания винтовых профилей. В 1934 году шведская компания Svenska Rotor Maskiner (SRM) создала первый промышленный образец сухого двухвинтового компрессора.

В СССР разработка винтовых компрессоров велась с 1950-х годов. В 1960 году на Казанском компрессорном заводе начат серийный выпуск двухвинтовых нагнетателей типа «ВК» (воздушные компрессоры). В 1970-х годах были созданы машины для сжатия природного газа и азота. К началу XXI века двухвинтовые нагнетатели стали стандартным оборудованием в системах пневмотранспорта и аэрации.

Интересные факты

• Крупнейшие производители двухвинтовых нагнетателей в мире — компании Atlas Copco (Швеция), Kaeser (Германия), Gardner Denver (США), Ingersoll Rand (Ирландия). В России — Казанский компрессорный завод, «Пензкомпрессормаш», «РЭП Холдинг».
• В вакуумном режиме сухие двухвинтовые насосы способны создавать разрежение до 0,001 мбар, что позволяет использовать их в масс-спектрометрии и электронной микроскопии.
• Профиль роторов «Липск» (Lysholm) — один из наиболее распространённых, разработан шведским инженером Альфом Липском в 1930-х годах. Он обеспечивает минимальные утечки и высокий КПД.

Источники

• Артамонов Г. А. «Винтовые компрессоры и нагнетатели». — М.: Машиностроение, 1978.
• Казаков В. А. «Компрессорные машины». — М.: Энергоатомиздат, 1991.
• Справочник «Компрессорное оборудование». Под ред. В. А. Румянцева. — СПб.: Политехника, 2005.
• Патент DE 1905/2005 (Криг Г. «Винтовой компрессор»).
• Техническая документация ООО «Казанский компрессорный завод» (архивные материалы).