Компрессорная установка с двигателем внутреннего сгорания

В литературе, посвященной подводному спорту, еще не приводилось описание малогабаритных автономных компрессоров, которые при весе в несколько десятков килограммов обеспечивают большую автономность спортсменам.
Так как в настоящее время наша промышленность еще не выпускает установок такого типа, крайне необходимых для дальнейшего развития подводного спорта, то возникает вопрос: нельзя ли сделать такой компрессор силами спортсменов? Опыт показывает, что можно.
Для этого необходимо грамотно сконструировать и изготовить привод к авиационному компрессору АК-150, которым уже много лет оборудованы наши самолеты различных марок. Такой компрессор можно подобрать из старых, списанных в авиационных частях или на аэродромах. Имеется несколько модификаций этих компрессоров: АК-150, АК-150В, АК-150Н, АК-150Д и др. Следует отметить, что компрессоры трех последних модификаций имеют несколько большую производительность по сравнению с первой.
Компрессор АК-150 представляет собой трехступенчатый двухцилиндровый компрессор, позволяющий получить на выходе третьей ступени давление, равное 150 атм.
Краткие технические данные компрессора АК-150:
а)       привод от двигателя; направление вращения — левое, по ГОСТ 1630—46;
б)       обороты коленчатого вала компрессора: на номинальном режиме 2000±50 об/мин, на максимальном режиме 2300 об/мин;
в)       рабочее давление —150 кг/см2; наддув компрессора — не более 1,2 абсолютной атмосферы;
г)       количество воздуха, подводимое к дефлектору для обдува компрессора при 2300 об/мин, — не менее 74 л/сек;
д)       при работе двигателя на самолете с открытыми капотами кран фильтра-отстойника должен быть открыт;
е)       давление подводимого масла — 2—5,5 кг/см2;
ж)      употребляемые марки масел: трансформаторное ГОСТ 982—53, МК8 ГОСТ 6457—53.

Параметры
Время наполнения восьмилитрового баллона до 150 кг/см2 при наддуве одна абсолютная атмосфера, мин
Выброс масла за 15 мин. при противодавлении 10 кг/см2

Не более 30
От 0.2 до 10

После приобретения такого компрессора остается решить, какой взять двигатель: бензиновый или электрический?
Следует сказать, что оба вида двигателей имеют свои преимущества и недостатки.
Преимуществами привода с бензиновым двигателем являются автономность и меньший вес на единицу мощности.
Преимуществами привода с электродвигателем
будут простота обслуживания и отсутствие выхлопных газов, могущих попасть на вход компрессора и загрязнить воздух.
Недостатками привода с бензиновым двигателем можно считать относительную сложность обслуживания, наличие выхлопных газов, могущих загрязнить воздух, и необходимость иметь запас горючего.
Недостаток привода с электродвигателем — малая автономность.
Автономность — главное условие, которому должна удовлетворять компрессорная установка, и поэтому, несмотря на значительные преимущества электродвигателя, предпочтение следует отдать бензиновому двигателю. Привод с бензиновым двигателем обеспечивает большую мобильность, позволяет установить компрессор непосредственно у места погружения, что избавит членов экспедиции от траты сил на перетаскивание аквалангов и т. п.
Правда, если точно известно, что в районе, предполагаемом для работы экспедиции, имеется электросеть, то можно использовать для привода компрессора электродвигатель. Однако прежде чем остановить свой выбор на электродвигателе, необходимо точно выяснить стандарт напряжения сети, имеется ли трехфазная сеть (так как однофазных двигателей на мощность 2,6 кВт нет), обеспечивает ли источник тока необходимую мощность и т. д.
Известен случай, когда из-за отсутствия такой информации одна экспедиция спортсменов - подводников практически была лишена возможности пользоваться аквалангами.
Остановив свой выбор на бензиновом двигателе, необходимо решить вопрос: какой тип бензинового двигателя будет нужен?
Для привода компрессора можно использовать любой бензиновый двигатель правого или левого вращения, обеспечивающий на валу мощность не менее 3,5 л.с. при 2200—2500 об/мин. Заметим, что мотоциклетные двигатели без модернизации в качестве привода использовать нельзя.
Необходимо сделать систему охлаждения, так как без нее двигатель быстро перегревается. Охлаждение двигателя может быть воздушным и водяным.
Имея компрессор и двигатель, нужно решить вопрос о способе их соединения.
Компрессор с двигателем может быть соединен непосредственно через муфту, без узла сцепления. В этом случае для облегчения запуска двигателя нагрузку на его валу легко уменьшить путем введения декомпрессии в первой ступени компрессора, т. е. посредством нажатия на всасывающий клапан, расположенный на головке цилиндра первой ступени.
Следует предупредить, что мягкие муфты, имеющие резиновые или кожаные детали, применять не следует. При отсутствии маховика на валу компрессора такую муфту можно легко «разбить» вследствие того, что компрессор имеет пульсирующий вращающий момент.
Лучше применять жесткую муфту, которая позволит создать такую конструкцию привода, где можно отсоединять бензиновый двигатель и подсоединять электродвигатель.
Двигатель с компрессором может быть соединен и с помощью трапецеидальных ремней, используемых в автомобилях. Ременная передача применяется в том случае, когда требуется изменить число оборотов с двигателя на компрессор. Однако если это можно решить с помощью шестеренчатого редуктора, то лучше пользоваться им. Эта конструкция получается более компактной и легкой, уменьшаются радиальные нагрузки на валы и к.п.д. передачи повышается.
Для компрессора нужна принудительная смазка и только от специального масляного насоса из масляной системы, изолированной от двигателя.
Использовать масляную систему двигателя для смазки компрессора ни в коем случае нельзя, так как в воздух могут попасть продукты сгорания топлива и масла двигателя, а это вызовет отравление организма.
В качестве масляного насоса может быть использован любой насос шестеренчатого, коловратного, центробежного или какого-нибудь другого типа, обеспечивающий необходимое давление масла. Вполне подходят для этой цели масляные насосы автомобилей или мотоциклов.
Для смазки рекомендуется использовать трансформаторное масло или масло МК-8. Возможна эксплуатация компрессора и на автоле, но при этом несколько повышается выброс масла из компрессора. Наилучшим типом смазочного масла для компрессора является вакуумное масло ВМ-4, которое используется для смазки вакуумных насосов. Это масло мало разлагается под действием высоких температур и механического воздействия и, следовательно, дает мало вредных продуктов распада, могущих вызвать отравление.
Следует предупредить, что осуществлять смазку компрессора «самотеком» нельзя, так как такой метод не обеспечивает правильной смазки и может привести к поломке компрессора.
Для охлаждения компрессора к кожуху его необходимо подать 4,44 м3 воздуха в минуту. В самолете такая подача обеспечивается встречным потоком воздуха, а для охлаждения его на земле потребуется специальная воздуходувка. Это приведет к дополнительной затрате мощности.
Эксплуатировать компрессор без охлаждения нельзя! Недостаточное охлаждение компрессора резко снижает его производительность.
Наиболее простым и эффективным способом охлаждения является водяное. Для этого весь компрессор помещают в кожух с водой. При этом вода никогда не нагревается до кипения, даже если в системе охлаждения нет радиатора. Охлаждение воды осуществляется за счет испарения и конвекции. Воздух поступает из компрессора совсем холодным, что очень важно для хорошей работы и фильтра.
Таковы основные положения, которые необходимо учитывать при конструировании компрессорного агрегата. В заключение хочется дать несколько полезных советов.
Компрессоры АК-150Н и АК-150Д работают в самолете с наддувом, который осуществляется через входной патрубок. При использовании этих компрессоров без наддува желательно несколько увеличить диаметр патрубка, что повысит их производительность.
На входной патрубок компрессора при работе с бензиновым двигателем необходимо надевать шланг длиной в несколько метров. Конец этого шланга располагают с наветренной стороны, чтобы избежать попадания выхлопных газов двигателя на вход компрессора. Сечение шланга должно быть по возможности большим.
Для этой цели вполне подходят гофрированные шланги дыхательных аппаратов. Выхлопные газы двигателя лучше отвести подальше от компрессора, используя, например, какую-нибудь водопроводную трубу, надеваемую на глушитель двигателя.
Воздух, выходящий из компрессора, содержит вредные примеси: продукты крекинга масла, масло, воду и др. Необходимо учитывать, что токсические действия вредных примесей прогрессируют при дыхании под повышенным давлением. Поэтому заряжать акваланг от компрессора без фильтра нельзя.
Схематическое изображение фильтра приведено на рис. 36. Как видно из рисунка, фильтр состоит из трех ступеней. В первой ступени происходит отделение масла и воды. Во второй ступени воздух очищается от вредных примесей с помощью активированного угля. В третьей ступени происходит очистка от мелкой угольной пыли. Наличие обособленной третьей ступени не всегда обязательно. Она с успехом может быть заменена слоем ваты в угольном фильтре.

Рис. 36. Схема фильтра: 1 — змеевик; 2 — масловодоотделитель; 3 — кран слива конденсата; 4 — угольный фильтр; 5 — вата; 6 — активированный уголь; 7— керамический фильтр; 8 — керамический элемент

Фильтр может быть легко изготовлен из кислородных баллонов от легководолазных дыхательных аппаратов емкостью 0,7 — 1,3 л. При изготовлении фильтра надо учитывать, что через I кг активированного угля может быть профильтровано около 30—50 м3 воздуха. Для хорошей работы фильтра необходимо следить за тем, чтобы элементы его имели по возможности низкую температуру. С этой целью рекомендуется установить змеевик из медной трубки высокого давления длиной в несколько метров. Этот змеевик может быть намотан поверх масловодоотделителя и угольного фильтра.
Общий вид компрессорного агрегата приведен на рис. 37. Агрегат состоит из двигателя (на рисунке показан электродвигатель), связанного с узлом привода компрессора посредством крестовой муфты. Наиболее важным и интересным узлом конструкции является узел привода компрессора.

Рис. 37. Компоновочная схема компрессора: 1 — электродвигатель; 2 — муфта с промежуточным подвижным элементом (крестовая), 3 — узел привода компрессора; 4 — манометр маслонасоса; 5 — компрессор; 6 — масляный бачок; 7 — рубашка водяного охлаждения компрессора; 8 — масловодоотделитель; 9 — магистраль высокого давления
Рис. 38. Узел привода компрессора: 1— корпус; 2, 3 — крышки; 4, 5, 6, 7 — шестерни; 8 — вал; 9 — подшипник радиальный однорядный № 102; 10 — подшипник радиальный однорядный № 201; 11 — подшипник радиальный однорядный № 8; 12,13 — шпонки; 14 — втулка; 15 — кольцо; 16—шпилька; 17 — винт; 18 — прокладка; 19 — фланец сальника

Этот узел представляет собой фрезерованный корпус (рис. 38), который с помощью четырех 10-миллиметровых болтов крепится к раме. Крестовая муфта соединена со шлицевым валиком 8, имеющим с одной стороны конус для посадки муфты, а с другой стороны — четыре шлица для подсоединения компрессора. Валик удерживается в двух шарикоподшипниках 9, 10. В средней части валика посредством пружинного кольца 15 и шпонки 12 крепится коническая шестеренка 5, связанная с другой конической шестерней 4, передающей вращение на масляный насос, состоящий из шестерен 6, 7, подающих масло в компрессор по специальному каналу (см. рис. 39, 40, 41).

Рис. 39. Корпус (1 шт. Материал Д16-Т)
Рис. 40. Детали корпуса: А — крышка (1 шт. Д16-Т); Б — крышка (1 шт. Д16-Т); В — шестерня (1 шт. Ст-45); Г — шестерня (1 шт. Ст. 45); Д — шестерня (1 шт. Ст. 45)
Рис. 41. Детали корпуса: А—шестерня (1 шт. Ст 45); Б — вал (1 шт. Ст 45); В — фланец сальника (1 шт. Д16-Т); Г — втулка (2 шт. Бронза Броф); Д — прокладка (1 шт. Паранит 0,5)

Масло через три отверстия в корпусе компрессора по каналам, имеющимся в корпусе узла привода, поступает в небольшой резервуар, находящийся в этом корпусе. Из этого резервуара масло поступает в масляный насос.
Шестерни привода масляного насоса установлены таким образом, что смазка подается при правом вращении вала компрессора.
Необходимо заметить, что имеющегося масляного резервуара в корпусе узла привода явно недостаточно, и перед каждой зарядкой требуется проверка уровня масла и долив его. Поэтому в масляную систему рекомендуется ввести масляный бачок.
Компрессор крепится к узлу привода посредством шести гаек, навинчиваемых на шпильки, имеющиеся в корпусе узла привода. Между корпусом компрессора и узлом привода зажата стенка бака водяного охлаждения.
Так как в конструкции могут быть применены различные двигатели, то чертежи рамы агрегата не приводятся.
Руководствуясь изложенным выше, группа спортсменов - подводников одного из предприятий Москвы четыре года назад изготовила компрессорный агрегат с бензиновым двигателем. С тех пор этот агрегат эксплуатировался каждое лето и в общей сложности проработал примерно 150 часов.