Промышленные ротационные воздуходувки и роторные газодувки: принцип работы и применение

Подробная информация есть по ссылке подробнее

Принцип действия ротационных воздуходувок и роторных газодувок

Промышленные ротационные воздуходувки и роторные газодувки относятся к классу объёмных ротационных машин. В таких агрегатах механическая энергия привода преобразуется в энергию потока газа за счёт вытеснения фиксированных порций среды рабочими органами. В отличие от центробежных нагнетателей, ротационные машины создают давление не за счёт кинетической энергии потока, а за счёт изменения положения роторов в замкнутом пространстве корпуса. Роторная газодувка выделяется в отдельную категорию по типу перекачиваемой среды. Если воздуходувка рассчитана на перемещение атмосферного воздуха с незначительными примесями, то газодувка способна работать с газовыми смесями, имеющими повышенную плотность, влажность, химическую активность или взрывоопасность. Конструктивные отличия касаются герметизации валов, материалов корпуса и роторов, а также системы контроля температуры и давления.

Рабочий цикл вытеснения газа

Рабочий цикл двухроторной машины включает три фазы: всасывание, перенос и нагнетание. При вращении роторов их лопасти открывают всасывающее окно, и газ заполняет полость, образованную профилем ротора и внутренней стенкой корпуса. Объём этой полости остаётся постоянным, поэтому при дальнейшем повороте ротора порция газа переносится к окну нагнетания. В момент соединения полости с нагнетательным каналом происходит обратный переток газа из выходной линии в полость, что быстро повышает давление в ней. Затем основной поток выталкивает сжатую порцию в трубопровод. Такая схема называется внешним сжатием, поскольку газ достигает давления нагнетания после соединения с выходным патрубком. В других типах ротационных машин, например в винтовых или роторно-пластинчатых, сжатие происходит внутри замкнутой камеры до подхода к нагнетательному окну. Это снижает потери от обратного перетока и повышает эффективность при высокой степени сжатия, однако такие машины сложнее в производстве и обслуживании. Классические ротационные воздуходувки с двумя роторами, как правило, работают по принципу внешнего сжатия.

Конструкция корпуса и роторной пары

Корпус ротационной воздуходувки выполняют из серого чугуна или стального литья. Внутри имеются две параллельные расточки, в которых размещены валы с роторами. Роторы имеют профиль, близкий к циклоидальному или эвольвентному. Наиболее распространены двухлопастные и трёхлопастные роторы: двухлопастные проще в изготовлении, трёхлопастные создают менее выраженные пульсации давления на выходе. В некоторых конструкциях используются винтовые роторы с наклонным зубом, что обеспечивает более плавную подачу. Роторы не соприкасаются друг с другом и со стенками корпуса. Согласованное вращение обеспечивают синхронизирующие шестерни, установленные на валах с приводной стороны. Передаточное отношение шестерён обычно равно единице, так как роторы вращаются с одинаковой скоростью. Шестерни работают в масляной ванне, что снижает износ и уровень шума. Подшипники валов — радиальные и упорно-радиальные, воспринимают нагрузки от перепада давления и собственного веса роторов. Зазоры между роторами и корпусом, а также между роторами и торцевыми крышками, определяют объёмный КПД. Для машин с диаметром роторов от 60 до 300 мм зазоры составляют от 0,1 до 0,3 мм. Увеличение зазора усиливает внутренние перетечки из полости нагнетания во всасывающую полость, из-за чего производительность и КПД снижаются. Уменьшение зазора до величины менее 0,1 мм опасно возможностью задевания роторов при тепловом расширении корпуса и деталей. Поэтому при сборке зазоры устанавливаются с учётом температурного режима эксплуатации.

Особенности роторных газодувок при перекачке газов

Роторная газодувка отличается от воздуходувки не только названием. Перекачиваемая среда может содержать сероводород, углекислый газ, углеводороды, пары воды и мелкодисперсные твёрдые частицы. Каждая такая среда требует учёта плотности, вязкости, химической активности, температуры и взрывоопасности. Конструкторские решения направлены на предотвращение утечек, коррозии и искрообразования.

Влияние физических свойств газа на работу оборудования

Плотность газа определяет массовую подачу, но не объёмную производительность агрегата. При одинаковой объёмной подаче более плотный газ даёт больший массовый расход. Например, попутный нефтяной газ тяжелее воздуха, поэтому при той же частоте вращения роторов масса перемещаемого газа будет выше. Потребляемая мощность при этом зависит не от плотности, а от перепада давления между всасыванием и нагнетанием и от величины перетечек. Вязкость газа влияет на интенсивность протечек через уплотнительные зазоры. Для вязких газов перетечки через щели меньше, поэтому объёмный КПД может быть выше. Температура газа на всасывании влияет на величину действительного объёма, занимаемого определённой массой газа. При повышении температуры всасывания плотность падает, следовательно, массовая подача уменьшается. Для реальных газов учитывается поправка на сжимаемость, особенно при высоких давлениях. Влагосодержание газа изменяет его теплоёмкость и может вызывать конденсацию внутри рабочей камеры. При перекачке влажного газа корпус должен иметь дренажные отверстия для удаления конденсата, а всасывающая линия оснащается сепаратором.

Материалы и уплотнения для агрессивных сред

Для воздуха и инертных газов корпус и роторы изготавливают из серого чугуна. Для газов с коррозионной активностью применяются литые корпуса из нержавеющей стали или корпуса с внутренним антикоррозионным покрытием. Роторы могут иметь никелевое, хромовое или эпоксидное покрытие. Выбор определяется составом среды и температурой процесса. Уплотнения валов бывают трёх основных типов:

• сальниковые — применяются для воздуха, азота и инертных газов; обеспечивают простоту обслуживания, но допускают незначительную протечку;
• торцевые — устанавливаются при работе с горючими или токсичными газами; имеют пару трения с прижимом пружиной, в двойном исполнении используются с буферной жидкостью;
• лабиринтные — создают газодинамическое сопротивление потоку; для полной герметичности требуют подачи запирающего газа во внутреннюю камеру.

Материалы уплотнительных элементов: фторкаучук, нитрильная резина, политетрафторэтилен. Фторкаучук устойчив к большинству углеводородов, нитрильная резина — к минеральным маслам, политетрафторэтилен работает при температурах до 200 °C. Для сильно агрессивных сред применяются металлические сильфонные уплотнения из нержавеющей стали.

Основные эксплуатационные параметры

К основным параметрам относятся производительность, давление нагнетания, потребляемая мощность и температура газа на выходе. Эти характеристики взаимосвязаны: изменение давления в сети приводит к изменению производительности и мощности. Для правильной эксплуатации необходимо учитывать допустимые рабочие диапазоны, указанные в технической документации.

Производительность и давление нагнетания

Производительность ротационной воздуходувки измеряется в кубических метрах в час или в минуту и приводится к условиям всасывания. Объёмная подача определяется геометрическими размерами роторов и частотой вращения. Однако при повышении давления нагнетания производительность несколько снижается из-за увеличения перетечек через зазоры. Для типовых машин падение подачи составляет от 5 до 15 % при изменении давления от нуля до максимального рабочего значения. Одноступенчатые ротационные воздуходувки создают избыточное давление от 20 до 80 кПа. Ряд моделей с усовершенствованным профилем роторов достигает 100 кПа при принудительном охлаждении корпуса. В вакуумном режиме они обеспечивают остаточное давление около 30–50 кПа. Двухступенчатые агрегаты применяются для создания давления до 200 кПа, однако их использование ограничено из-за значительного нагрева газа между ступенями и необходимости промежуточного охлаждения.

Потребляемая мощность и температурный режим

Мощность на валу складывается из мощности, затрачиваемой на сжатие газа, потерь на перетечки, механических потерь в шестернях и подшипниках. Для воздуха при степени сжатия от 1,5 до 2 мощность двигателя обычно составляет от 10 до 50 кВт для агрегатов средней производительности. КПД ротационной машины ниже, чем у винтовых компрессоров, однако при невысоких перепадах давления это компенсируется простотой конструкции и надёжностью. Температура газа на нагнетании повышается пропорционально степени сжатия. Для идеального двухатомного газа с показателем адиабаты 1,4 теоретический нагрев можно рассчитать по формуле T2 = T1 · (p2 / p1)^((k−1)/k). Результаты расчёта для воздуха с температурой всасывания 20 °C приведены в таблице.

В реальной машине за счёт отвода тепла через чугунный корпус температура на выходе несколько ниже теоретической. При длительной работе с высоким перепадом давления требуется принудительное охлаждение. Воздушное охлаждение обеспечивается рёбрами на корпусе и вентилятором. Водяное охлаждение применяется, если температура нагнетания превышает 150 °C или газ поступает на всасывание с температурой выше 60 °C.

Выбор воздуходувки под технологические задачи

Подбор оборудования начинается с анализа параметров перекачиваемой среды и требуемого технологического режима. Для воздуха и инертных газов достаточно стандартного исполнения. Для газов с повышенной влажностью, химической активностью или горючестью необходимо специализированное исполнение с соответствующими материалами и уплотнениями.

Аэрация, пневмотранспорт и вакуумные режимы

В системах аэрации сточных вод воздуходувки работают при давлении 30–60 кПа. Для этой задачи важна равномерность потока, поэтому предпочтительны трёхлопастные роторы. Производительность подбирается по требуемому расходу кислорода, который зависит от объёма резервуара и типа очистных сооружений. Пневмотранспорт сыпучих материалов требует давления 50–100 кПа для преодоления сопротивления трубопровода. Воздуходувка должна иметь запас по давлению на случай засорения линии. В вакуумном режиме агрегат подключается к всасывающей линии, и газ отсасывается из транспортного трубопровода. Вакуумные системы применяются для перемещения лёгких порошков и гранул, где исключено использование давления нагнетания. При выборе учитывают также состояние газа: наличие пыли и влаги требует установки фильтров на всасывающей линии. Для газов с высокой температурой устанавливают охладители перед входом в воздуходувку, чтобы исключить перегрев корпуса и снижение производительности.

Условия эксплуатации и требования безопасности

Для работы с горючими газами применяется взрывозащищённое исполнение электродвигателя, КИП и автоматики. Корпус и трубопроводы заземляются. Соединения трубопроводов выполняются фланцевыми с герметизирующими прокладками, исключающими выход газа в атмосферу. На нагнетательной линии устанавливается предохранительный клапан, защищающий корпус и трубопровод от превышения давления. Предохранительный клапан настраивается на давление, превышающее рабочее на 10–15 %. При срабатывании клапан сбрасывает избыточный объём газа в атмосферу или в факельную линию. Обязательна блокировка пуска при открытом предохранительном клапане или пониженном давлении масла.

Перед пуском агрегата необходимо открыть задвижки на всасывающей и нагнетательной линиях. Пуск при закрытой нагнетательной задвижке вызывает быстрый нагрев корпуса и может привести к необратимой деформации роторов.

Диагностика и техническое обслуживание

Периодическое обслуживание сохраняет рабочие зазоры, состояние смазки и герметичность уплотнений. Регламент технического обслуживания зависит от интенсивности работы, температуры газа и содержания абразивных частиц. Для большинства промышленных агрегатов рекомендуемый интервал между проверками составляет от 1000 до 3000 часов наработки.

Контроль зазоров, смазки и уплотнений

Контроль зазоров проводится на остановленном агрегате после снятия боковой крышки. Для измерений используются щупы и микрометрические прокладки. Зазоры проверяют в нескольких точках по длине ротора и по окружности корпуса. Отклонение от нормативных значений более чем на 0,05 мм требует регулировки или замены изношенных деталей. Последовательность проверки зазоров:

1. остановить агрегат и отключить электропитание;
2. отсоединить всасывающий и нагнетательный трубопроводы;
3. снять крышку со стороны всасывания;
4. измерить радиальные зазоры между роторами и корпусом;
5. измерить боковые зазоры между роторами в зоне зацепления;
6. записать результаты и сравнить с нормами.

Смазка синхронизирующих шестерён и подшипников выполняется индустриальным маслом класса вязкости ISO VG 46 или 68. Уровень масла контролируется по маслоуказателю, давление в системе смазки — по манометру. Фильтры тонкой очистки заменяются при увеличении перепада давления или не реже одного раза в 2000 часов. Сальниковые уплотнения проверяются на предмет подтекания: допустимая протечка масла — несколько капель в минуту. Торцевые уплотнения требуют контроля давления буферной жидкости в системе подпитки.

Частые неисправности и причины их возникновения

Повышенная вибрация возникает при износе подшипников, дисбалансе роторов или нарушении соосности валов привода. Для выявления причины проводится вибродиагностика на холостом ходу и под нагрузкой. Посторонний шум в рабочей камере чаще всего указывает на задевание роторов о корпус, которое возникает при тепловой деформации или после резкого перегрева. Снижение производительности вызывается увеличенными зазорами из-за износа подшипников или роторной пары, подсосом воздуха через сальниковые уплотнения или засорением всасывающего фильтра. Перегрев корпуса появляется при недостаточном уровне масла, повышенном давлении нагнетания, высокой температуре газа на всасывании или неправильной настройке предохранительного клапана. Заклинивание роторов происходит при попадании посторонних предметов, налипании вязких продуктов или образовании нагара при длительной работе с высокой температурой. После устранения причины проверяют геометрию роторов и корпуса, заменяют повреждённые детали и восстанавливают покрытие. Контроль зазоров после ремонта обязателен, поскольку малейшее смещение валов приводит к повторному задеванию и выходу агрегата из строя.

Видео