В процессе перетекания от впускного окна к выпускному воздух в рабочей полости не сжимается, т. е. отсутствует так называемое внутреннее сжатие, поэтому роторно-шестеренчатые компрессоры часто называют компрессорами с внешним сжатием. Вследствие этого роторно-шестеренчатые компрессоры работают достаточно эффективно лишь при умеренном отношении давления на нагнетании к давлению на всасывании, называемому степенью повышения давления. С ростом степени повышения давления КПД компрессора заметно снижается. К недостаткам рассматриваемых компрессоров относятся также большая зависимость КПД от зазоров между рабочими органами компрессора, сильный шум и пульсации давления нагнетания, особенно в случае применения более простых в изготовлении прямозубых роторов.

Наибольшее распространение получили роторно-шестеренчатые компрессоры с двумя одинаковыми роторами и поперечным расположением в корпусе впускного и выпускного окон.

На рис. 1, а приведена принципиальная схема роторно-шестеренчатого компрессора. В неподвижном корпусе равномерно вращаются в противоположном направлении роторы. При вращении роторы не касаются один другого и корпуса, что обеспечивается подшипниками, установленными в торцах корпуса, и синхронизирующей зубчатой передачей, служащей также для привода ведомого ротора. Функции органов распределения выполняют роторы, кромки которых перекрывают впускные и нагнетательные окна в корпусе.

При повороте роторов из положения / в положение II (рис. 1, б) нижний ротор вытесняет в пространство нагнетания некоторый объем воздуха. Одновременно, вследствие того, что зуб верхнего ротора отошел от кромки выпускного окна, под действием перепада давлений происходит обратное перетекание сжатого воздуха из полости нагнетания в полость, образованную верхним ротором и корпусом. Перетекание воздуха будет продолжаться до тех пор, пока давление в этой полости и давление нагнетания не станут одинаковыми. С момента выравнивания давлений до Момента, соответствующего положению III, происходит чистое выталкивание. Положение III по протеканию рабочего процесса в компрессоре равнозначно положению /, так как роторы одинаковы. Поэтому для двузубчатого роторно-шестеренчатого компрессора период пульсации скоростей и давлений в проточной части соответствует 90° угла поворота ротора.

Помимо двузубчатых роторов, часто применяют трехзубчатые (реже четырех-зубчатые) роторы. Примером может служить типичная конструкция роторно-шестеренчатого компрессора двухтактного двигателя ЯАЗ (рис. 2). Компрессор крепится сбоку двигателя и приводится во вращение от шестерни на заднем конце коленчатого вала; передаточное отношение между коленчатым валом и роторами компрессора составляет 1,94.

С обеих сторон корпуса, отлитого из алюминиевого сплава, расположены окна — впускное с внешней стороны и выпускное с внутренней, обращенной к двигателю. Для повышения жесткости поверхность корпуса оребрена. В торцовых плитах, отлитых также из алюминиевого сплава, установлены двухрядные ра-диально-упорные подшипники и однорядные шариковые подшипники. Первые фиксируют положение ротора в осевом направлении, а вторые, которые могут перемещаться, обеспечивают свободу тепловых деформаций ротора и корпуса.

Пустотелые роторы отлиты из алюминиевого сплава. С обеих сторон в каждый ротор запрессованы стальные валики. При помощи точно обработанных эпициклоидальных участков на профильной поверхности роторов достигается герметичность отдельных полостей компрессора в процессе работы. Остальную про-ствующих роторов. Зубчатые колеса передают небольшой крутящий момент (около 10 % общего крутящего момента), так как ротор с впадинами выполняет главным образом функцию распределительного органа.

Рабочий цикл винтового компрессора можно разбить на четыре этапа.
1. Всасывание. Через отверстие внизу корпуса со стороны всасывания воздух поступает в полость, образующуюся в результате выхода зуба ведущего ротора из впадины ведомого. При дальнейшем вращении роторов объем полости увеличивается до тех пор, пока у противоположного торца зуб не выйдет из впадины ротора.
2. Подача. Воздух в полости между роторами без изменения давления переносится в верхнюю часть корпуса, где во впадину ведомого ротора начинает входить зуб ведущего ротора. При этом сообщение полости между роторами с пространством всасывания прекращается.
3. Сжатие. Зуб движется по впадине со стороны всасывания и сжимает воздух, находящийся в полости, ограниченной впадиной ведомого ротора, стенками корпуса и поверхностью зуба ротора.
4. Нагнетание. После достижения расчетного давления полость со сжатым воздухом соединяется с выпускным отверстием в цилиндрической и торцовой частях корпуса. Происходит нагнетание с постепенным уменьшением объема. В дальнейшем цикл повторяется.

Окружные скорости роторов на наружном диаметре зуба достигают 50… 100 м/с.

Роторы обычно изготовляют из углеродистой стали; КПД винтовых компрессоров составляет 80 % и более.

Поршневые компрессоры применяют в малооборотных судовых двигателях. Положительными качествами этих компрессоров являются: высокий КПД, надежность, достаточно плавное изменение давления за компрессором от частоты вращения и независимость его рабочего процесса от направления вращения вала (при наличии самодействующих клапанов). К недостаткам поршневых компрессоров следует отнести сложность и высокую стоимость конструкции, неуравновешенность, большую массу, значительный расход масла и загрязнение им подаваемого в двигатель воздуха.

Основными элементами поршневого компрессора являются: цилиндр, поршень (обычно с одним уплотнительным кольцом или без него), самодействующие (автоматические) клапаны, впускная и нагнетательная системы.

В настоящее время поршневые компрессоры в качестве самостоятельных агрегатов наддува практически не применяются в основном ввиду их больших размеров.

В некоторых мощных двухтактных судовых двигателях простого действия с турбо-наддувом в качестве компрессора второй ступени используются подпоршневые полости цилиндров. Подобные устройства получили название подпоршневых насосов. На двигателях фирмы Зульцер ряда RND применяют систему воздухоснабже-ния, в которую входят подпоршневые насосы, оборудованные автоматическими пластинчатыми клапанами. Для уменьшения «вредного» пространства подпоршневых насосов и увеличения их подачи на малых нагрузках установлена перегородка с впускными 1 и выпускными клапанами. Воздух может попасть в цилиндр через клапаны, минуя подпоршне-вый насос, когда давление воздуха после компрессора турбокомпрессора соответствует расчетному или выше его. В дальнейшем на двигателях типа RND-M были оставлены только впускные и выпускные клапаны, которые одновременно являются и перепускными. Следует отметить, что благодаря повышению КПД турбокомпрессоров в двухтактных двигателях большой мощности можно отказаться от использования подпоршневых насосов, что упрощает конструкцию и обслуживание двигателя.

Центробежные компрессоры

Центробежные компрессоры получили в настоящее время наибольшее распространение для наддува двигателей внутреннего сгорания. Центробежный компрессор относится к лопаточным машинам, принцип работы которых основан на динамическом взаимодеиствии высокоскоростного потока газа с лопатками рабочего колеса и лопатками неподвижных элементов машины. По сравнению с объемными лопаточные компрессоры более компактны и относительно просты по конструкции.

Центробежный компрессор включает входное устройство, рабочее колесо (называемое также крыльчаткой), диффузор, состоящий из безлопаточной и лопаточной частей (последняя может отсутствовать), и воздухосборник, часто выполняемый в виде улитки. Воздух через фильтр поступает во входное устройство, суживающееся по направлению движения воздуха, что способствует устойчивости потока. Входное устройство должно обеспечивать равномерный подвод воздуха к колесу при минимальных потерях. Рабочее колесо установлено на шлицах или, в случае малых размеров, на гладком валу, связанном механической передачей с коленчатым валом двигателя или непосредственно с рабочим колесом газовой турбины.

Кинетическая и потенциальная (в виде давления) энергия сообщается воздуху в рабочем колесе. Кинетическая энергия на выходе колеса составляет обычно около половины общей энергии потока, поэтому для превращения ее в энергию давления за рабочим колесом устанавливают диффузор. При движении воздуха в диффузоре вследствие непрерывного увеличения площади проходного сечения скорость потока падает, а давление возрастает. Возникающие при этом потери составляют значительную долю общих потерь в компрессоре. При наличии в диффузоре лопаток в компрессоре потери меньше, чем при диффузоре без лопаток. Воздух, выходящий по окружности из диффузора, собирается в воздухосборнике и из него направляется во впускные трубопроводы двигателя. Воздухосборник, в зависимости от общей компоновки двигателя, может иметь один или несколько выходных патрубков.

Основными параметрами, характеризующими работу центробежного компрессора, являются расход воздуха через компрессор, степень повышения давления и КПД компрессора. Применяемые в настоящее время для наддува двигателей внутреннего сгорания центробежные компрессоры имеют весьма широкий диапазон изменения этих параметров. Так, степень повышения давления меняется от 1,2 в компрессорах с приводом от вала двигателя, используемых в ряде случаев в качестве второй ступени наддува, до 4 и более в компрессорах форсированных комбинированных двигателей. В одной ступени возможно получение повышения давления порядка 10. В настоящее время считают целесообразным ограничивать степень повышения давления в центробежном компрессоре до 3,5…4,0, а при больших ее значениях переходят к двухступенчатому наддуву.

Окружные скорости рабочего колеса компрессора современного комбинированного двигателя внутреннего сгорания на периферии превышают 450 м/с, поэтому для обеспечения высокой прочности колеса компрессора необходимо применение высококачественных материалов.

В центробежных компрессорах двигателей чаще всего используется полузакрытое колесо с вращающимся направляющим аппаратом, изготовленным как одно целое с колесом или отдельно. Такие колеса с радиальными лопатками отличаются высокой прочностью, хорошей технологичностью и характеризуются умеренными потерями при движении воздуха по межлопаточным каналам. Возникновение при работе компрессора осевой силы предотвращается соответствующим расположением поясков лабиринтного уплотнения, находящихся на тыльной стороне диска колеса.

Более сложны в технологическом отношении закрытые колеса, отличающиеся от полузакрытых наличием переднего покрывающего диска, существенно уменьшающего потери, связанные с перетеканием воздуха между соседними межлопаточными каналами, а также трением воздуха о неподвижный корпус. Колеса такого типа применяют в стационарных компрессорах и компрессорах с высокой степенью повышения давления в двигателях с большим расходом воздуха. Однако в изготовлении эти колеса более трудоемки, чем полузакрытые колеса. Чем выше степень повышения давления и больше расход воздуха, тем больше преимущества у закрытых колес.

Частота вращения колеса компрессора зависит от потребной окружной скорости на периферии колеса, определяемой, в свою очередь, степенью повышения давления в компрессоре, и от размеров колеса, связанных с расходом воздуха через компрессор. Поэтому высокая частота вращения, достигающая 200 тыс. об/мин, характерна для высоконапорных компрессоров автомобильных дизелей. У крупных компрессоров, применяемых в комбинированных судовых двигателях большой мощности, частота вращения ротора равна 6500…7000 об/мин. Соответственно подача центробежных компрессоров, применяемых в комбинированных двигателях, меняется от 0,02 до 30 кг/с.

В зависимости от расхода воздуха и степени повышения давления центробежные компрессоры изготовляют как с лопаточным диффузором, так и с безлопаточным. Крупные высоконапорные компрессоры имеют лопаточные диффузоры. При этом часто предусматривается возможность установки на один компрессор различных диффузоров, в зависимости от требований потребителя. Лопаточный диффузор представляет собой круговую решетку из профилированных лопаток. Проходное сечение такого диффузора возрастает вследствие увеличения радиуса и угла между вектором скорости движения потока и касательной к окружности, что достигается наличием лопаток. Размер диффузора в значительной мере определяет габаритные размеры компрессора. В большинстве конструкций современных малых центробежных компрессоров применяют безлопаточный диффузор.