Đầu nén khí máy nén khí trục vít (Air-end Element)

Đầu nén khí máy nén khí trục vít (Air-end Element)

Bộ phận trục vít là bộ phận quan trọng nhất của bất kỳ máy nén kiểu trục vít nào.

Đó là một phần của máy nơi diễn ra quá trình nén thực sự.

Nó là trái tim của máy nén khí trục vít quay.

Thông thường, phần tử trục vít của máy nén còn được gọi là đầu khí.

Chúng là dòng chảy không đổi (thể tích) với máy nén áp suất thay đổi. Điều đó có nghĩa là ở một tốc độ nhất định (vòng/phút), chúng luôn cung cấp cùng một lượng không khí (ví dụ tính bằng lít trên giây), nhưng có thể làm như vậy ở các áp suất khác nhau.

Tại sao chúng lại phổ biến đến vậy? Vì đây là một quá trình liên tục (ngược lại với máy nén piston chuyển động tịnh tiến), chúng cung cấp luồng không khí ổn định, không rung, với độ rung và bảo trì tối thiểu cũng như tuổi thọ tối đa.

Họ có thể hoạt động 24/7, 365 ngày một năm. Tuổi thọ bình thường của một bộ phận trục vít là khoảng 40.000 giờ hoạt động, trước khi cần phải đại tu toàn bộ.

Phần tử vít quay

Hãy để tôi giải thích cách cấu tạo phần tử trục vít quay. Xem hình ảnh ví dụ này về phần tử trục vít không dầu.

Phần tử máy nén (loại không dầu). Ảnh: Atlas Copco

Tất nhiên, chúng ta thấy hai rôto (rotor đực ở phía dưới, rôto cái ở phía trên) và vỏ (phần màu xám).

Như chúng ta thấy các rôto có các loại ổ trục khác nhau ở cả hai bên nên chúng chạy trơn tru trong nhiều năm mà không cần bảo trì.

Thường có hai cặp vòng bi ở hai bên; vòng bi chịu tải hướng tâm (tải do rôto quay) và vòng bi hướng trục.

Vì trục vít ‘đẩy’ về một phía (phía áp suất cao) nên rôto muốn di chuyển sang hướng ngược lại. Vòng bi hướng trục đảm nhận tải trọng này.

Chúng ta cũng có thể thấy rôto đực có một trục nhô ra ngoài với một bánh răng trên đó. Đây là thiết bị lái xe.

Đôi khi nó là một ròng rọc. Hai rôto còn được nối với nhau bằng bánh răng (ở phía bên trái trong hình) đây là bánh răng đồng bộ.

Phần tử được làm mát bằng nước, vì mục đích này, có các túi làm mát bằng nước trong vỏ phần tử (các phần màu xanh lá cây). Các bánh răng được bôi trơn bằng dầu, được biểu thị bằng các phần màu vàng/nâu. Các bộ phận trục vít được phun dầu không có chức năng này vì chúng được làm mát bằng dầu được bơm vào.

Có một lớp đệm kín giữa dầu và khoang khí nén, để ngăn không cho dầu làm nhiễm bẩn khí nén (dành riêng cho các bộ phận máy nén không dầu).

Vỏ có thể tháo rời để bảo trì.

Phần tử vít trông như thế nào

Đầu gió có nhiều kích cỡ khác nhau nhưng về cơ bản chúng đều giống nhau.

Dưới đây là một số hình ảnh của các bộ phận máy nén khí.

Yếu tố máy nén khí. Cái này là một máy nén hoàn toàn mới, vì nó vẫn sạch và sáng bóng.

Yếu tố máy nén khí trên máy nén tốc độ thay đổi. Máy nén thường trông như thế này: bẩn!

Phần tử máy nén trên máy nén khí di động.

Làm thế nào nó hoạt động

Làm thế nào nó hoạt động? Bên trong bộ phận máy nén có hai ốc vít (được gọi là ‘cánh quạt’) quay ngược chiều nhau.

Máy nén trục vít quay là máy nén ‘thể tích dương’. Điều này đơn giản có nghĩa là không khí bị ép lại với nhau một cách vật lý bởi một ngoại lực (như máy nén piston và máy nén cuộn, cũng là máy nén thể tích dương).

Không khí bị mắc kẹt giữa các cánh quạt

Trong trường hợp vít quay, không khí bị kẹt giữa hai rôto. Các cánh quạt có thiết kế đặc biệt để mang lại hiệu quả và hiệu suất tối ưu.

Một rôto được gọi là rôto ‘nam’, rôto còn lại được gọi là rôto ‘cái’.

Như có thể thấy trên hình: không khí bị hút vào một bên (lạnh, áp suất thấp), bị kẹt giữa các cánh quạt và được thải ra ở phía bên kia (nóng, áp suất cao).

Việc nén này đòi hỏi nguồn điện thường được cung cấp bởi một động cơ điện lớn.

Các loại phần tử máy nén trục vít

Có hai loại máy nén trục vít cơ bản: có dầu và không dầu.

Máy nén trục vít quay phun dầu là loại phổ biến nhất vì chúng là loại rẻ hơn trong hai loại.

Máy nén khí trục vít không dầu chỉ được sử dụng trong các ứng dụng mà khí nén phải 100% không dầu (thường là trong các nhà máy chế biến thực phẩm, nhà máy hóa chất, v.v.).

Sau này tôi sẽ giải thích tại sao loại không dầu lại đắt hơn.

Rotor/ốc vít xoắn ốc

Các cánh quạt có hình dạng được gọi là “ốc vít xoắn ốc”. Vâng, nó trông giống như một cái vít. Có một rôto đực và một rôto cái.

Rôto trục vít xoắn ốc nam và nữ.

Rôto đực là loại ‘dày’, có các thùy. Rôto cái là loại ‘mỏng’ và có rãnh hoặc ‘sáo’.

Không khí bị mắc kẹt giữa rôto đực và rôto cái và được vận chuyển đến phía xả của bộ phận trong ‘túi khí’, các túi khí bị mắc kẹt giữa các rôto.

Thông thường, rôto đực có 4 thùy, trong khi rôto cái có 6 rãnh. Nhưng điều này không được cố định.

Các nhà sản xuất luôn tìm cách cải tiến thiết kế vít. Họ tìm kiếm một thiết kế mang lại hiệu quả tốt nhất. Nói cách khác: làm thế nào để bơm được nhiều nhất với nguồn điện càng ít càng tốt.

Thiết kế và sản xuất trục vít chính xác là một trong những bí mật được giữ kín nhất của bất kỳ nhà sản xuất máy nén khí nào. Đó là khu vực cấm/không được chụp ảnh của nhà máy.

Trục truyền động và bánh răng đồng bộ

Rôto cái được dẫn động bởi các bánh răng nằm ngoài trục của rôto đực. Khi rôto đực quay 1 vòng thì rôto cái quay đúng 1,5 vòng. Chúng được đồng bộ hóa. Các bánh răng dẫn động rôto cái gọi là bánh răng đồng bộ.

Rôto đực được dẫn động bởi một động cơ điện hoặc đôi khi là động cơ diesel (đó là trường hợp của máy nén di động ). Chúng chạy ở tốc độ từ 1000 đến 6000 vòng/phút.

Tỷ lệ áp suất

Do bị nén nên không khí nóng lên. Không khí nóng cũng sẽ làm nóng các cánh quạt và vỏ kim loại của bộ phận máy nén.

Đây là một vấn đề, bởi vì kim loại nóng nở ra, nó trở nên lớn hơn. Khi nó nở ra quá nhiều, hai rôto sẽ chạm vào nhau và/hoặc vỏ… điều này thường dẫn đến một bộ phận vít bị rối hoàn toàn (tốn kém!).

Vì lý do này, chúng ta không thể tạo ra áp suất cao vô hạn theo cách này; đơn giản là nó sẽ trở nên quá nóng.

Áp suất tối đa mà phần tử vít có thể tạo ra được gọi là tỷ số áp suất. Đó là áp suất đầu ra tối đa chia cho áp suất đầu vào.

Đối với loại phun dầu, tỷ số nén thường tối đa là 13. Đối với loại không có dầu, tỷ số nén này tối đa khoảng 3,5. Sau này chúng ta sẽ biết tại sao.

Thông tin thêm về máy nén trục vít không dầu và có dầu trong các đoạn sau.

Giới hạn thiết kế trong việc tạo ra phần tử vít tốt nhất

Bộ phận trục vít quay là một ví dụ về bộ phận được thiết kế kỹ thuật cao với hàng nghìn giờ nghiên cứu về nó. Có nhiều yếu tố cần cân nhắc khi thiết kế phần tử vít tốt nhất.

Như đã nói trước đây, máy nén trục vít không dầu sử dụng hai giai đoạn, với bộ làm mát khí nạp để đạt được áp suất cuối mong muốn. Nhưng tại sao trong thời đại thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính, máy cnc điều khiển bằng robot và các mô hình toán học phức tạp, việc tạo ra máy nén khí không dầu một cấp lại khó đến vậy?

Vấn đề là có nhiều yếu tố ảnh hưởng lẫn nhau.

Tỷ lệ áp suất cao hơn có nghĩa là rò rỉ không khí bên trong nhiều hơn (ở áp suất cao hơn, nhiều không khí chảy qua cùng một khe hở). Sự rò rỉ cao hơn này làm giảm hiệu quả của phần tử tổng thể.

Do hiệu suất thấp hơn nên rôto sẽ cần chạy ở tốc độ cao hơn. Điều này gây ra nhiều vấn đề hơn về độ rung và tuổi thọ của rôto và vòng bi.

Tỷ số nén cao sẽ dẫn đến nhiệt độ khí thải cao hơn. Thép có thói quen xấu là giãn nở khi trời ấm hơn. Nhiệt độ cao dẫn đến sự giãn nở nhiệt cao của rôto.

Tất cả điều này làm tăng thêm vấn đề làm cho khe hở càng nhỏ càng tốt (quá nhỏ và các cánh quạt sẽ chạm vào nhau khi khởi động!).

Không dầu và phun dầu

Sự khác biệt giữa các bộ phận trục vít quay không dầu và có dầu là gì? Và tại sao phần tử không dầu lại đắt hơn phần tử được phun dầu?

Dầu được bơm có một số chức năng; một trong những chức năng đó là bịt kín mọi khoảng trống và khe hở giữa rôto đực và rôto cái cũng như giữa rôto và vỏ.

Các khoảng trống và khe hở cho phép khí nén chảy ngược lại ‘sai đường’. Nó làm giảm hiệu suất và hiệu suất của đầu khí.

Bởi vì máy nén loại không dầu không có dầu nên khe hở giữa rôto và vỏ phải nhỏ hơn nhiều so với các bộ phận trục vít loại phun dầu. Vì lý do này nên giá của đầu nén khí không dầu cao hơn nhiều.

Độ hở tối đa cần thiết phụ thuộc vào đường kính rôto và tối đa là khoảng 1 nghìn đường kính. Vì vậy, nếu đường kính của rôto là 200 mm thì khe hở sẽ chỉ là 0,2 mm, một con số khá nhỏ đối với hình dạng phức tạp như vậy.

Ngoài ra, các bộ phận không chứa dầu cần có thêm túi và rãnh để chứa nước làm mát. Phần tử loại phun dầu được làm mát bằng dầu được phun và không cần thêm nước làm mát.