КОМПРЕССОР С БЕСКОНТАКТНЫМ УПЛОТНЕНИЕМ ПОРШНЯ Российский патент 1997 года по МПК F04B25/00 F04B35/00 

Изобретение относится к компрессоростроению.

Известен компрессор с бесконтактным уплотнением поршня, содержащий по крайней мере один цилиндр с камерой сжатия и размещенным в нем поршнем, имеющим направляющую опорную поверхность и уплотняющую бесконтактную часть [1]
Известен также компрессор с бесконтактным уплотнением поршня, содержащий по крайней мере один цилиндр с камерой сжатия и размещенным в нем поршнем, имеющим направляющую опорную и уплотняющую бесконтактную части, и кривошипно-ползунный механизм привода, ось вращения которого пересекает под прямым углом ось цилиндра [2]
Недостатком известных конструкций являются значительные потери мощности на удержание от контакта с цилиндром уплотняющей части поршня. В конструкции [1] это значительный расход газа на центрирование, над которым уже была произведена работа сжатия, в конструкции [2] это потери на трение механической направляющей поршня. Эти обстоятельства снижают экономичность компрессора с бесконтактным уплотнением поршня.

Задачей изобретения является повышение экономичности компрессора, снижение затрат мощности на направление поршня и обеспечение бесконтактной работы его уплотняющей части.

Поставленная задача может быть решена за счет того, что торцевая поверхность поршня выполнена под углом к образующей цилиндра, причем выполняется соотношение:
0 <A <arcsin ((R•sin f)/L), (1)
где A угол в плоскости вращения кривошипа между нормалью, проведенной к торцевой поверхности уплотняющей части поршня, и осью цилиндра;
R радиус кривошипа;
f угол поворота кривошипа, соответствующий максимальному давлению газа в цилиндре;
L расстояние от центра торцевой поверхности уплотняющей части поршня до заднего торца направляющей опорной части поршня.

На фиг.1 схематично изображена ступень компрессора с механическим направлением поршня; на фиг.2 схема нагружения конструкции; на фиг.3 схема конструкции компрессора с направлением поршня за счет работы газостатического подвеса.

Компрессор состоит (см. фиг.1) из цилиндра 1, содержащего всасывающий 2 и нагнетательный 3 клапаны и поршень 4, имеющий механическую направляющую часть 5 и бесконтактную уплотняющую часть 6. Торцевая поверхность 7 уплотняющей части 6 наклонена в плоскости вращения кривошипа 8, связанного с ползуном 9, установленным с возможностью перемещения в пазу 10. Торцевая поверхность 7 уплотняющей части 6 поршня 4 образует с цилиндром 1 рабочую полость 11.

Компрессор работает следующим образом. При вращении кривошипа 8 в направлении стрелки с частотой W (см. фиг. 1) ползун 9 перемещается в пазу 10 и придает поршню 4 возвратно-поступательное движение, в результате чего объем полости 11 изменяется, что приводит к всасыванию газа через клапан 2, сжатию газа и его нагнетанию потребителю через клапан 3. При воздействии ползуна 9 на стенку паза 10 возникает опрокидывающий момент, который уравновешивается реакциями сил, приложенных в опорных точках E и К направляющей части 5. Силы давления газа в полости 11, действующие перпендикулярно торцевой поверхности 7 под углом А к оси цилиндра 1, создают момент сил, противодействующий опрокидывающему моменту, возникающему от воздействия ползуна 9, снижая реакции сил в опорных точках E и К, уменьшая силы трения и затраты энергии на их преодоление, повышая экономичность компрессора, снижая износ опорной поверхности направляющей части 5 и обеспечивая таким образом более длительную бесконтактную работу уплотняющей части 6.

Оптимальные значения угла наклона торцевой поверхности уплотняющей части поршня к образующей цилиндра определены из следующих соображений.

Рассмотрим схему действующих сил на фиг.2 и составим систему уравнений, определяющих статическое равновесие:

где: Fp(y) проекция силы, возникающей от действия газовых сил на поршень, на ось Y;
Fp(x) то же на ось X;
F усилие, передаваемое ползуном и численно равное произведению давления газа в полости 11 на площадь поперечного сечения цилиндра 1.

Из уравнения (3) ясно, что F(p)x F, и в этом случае Fp(y)F•sin A.

Определим условие равновесия, при котором реакция опоры в точке К равна нулю (RK 0), воспользовавшись уравнением (4):
ΣME = F•R•sin f - F•sin A•EC = 0
или
F•(R•sin f -sin A•EC) 0
Поскольку F не равно нулю, то, приравняв нулю второй сомножитель, получим, что:
sin A (R•sin f)/EC и из (1) RE Fp(y) F•sin A (5)
Запишем уравнение, аналогичное (4) для точки К:
ΣMK = F•R•sin f - Fp(y)•KC + RE•EK = 0
Поступив аналогично (RE 0), получим, что:
sin A (R•sin f)/KC и RK Fp(y) F•sin A (6)
Таким образом, оптимальное значение угла А будет находиться в пределах:
(R•sin f)/EC >> (R•sin f)/KC > A > 0,
или с учетом того, что KC L:
0 <A <arcsin ((R•sin f)/L)
Так, например, при изотермическом сжатии и степени повышения давления, равной 2, максимальное давление достигается при f=90 град. Принимая конструктивно ЕВ=ВК=100 мм, R50мм, СЕ=100 мм, получим:
0<A<arcsin ((50•sin 90)/300),
т.е. 0<A<9,6 град.

Если принять А=6 град. то из уравнения (4) получим RK=0,2 F, а из уравнения (2) получим RE 0,1F.

В то же время в прототипе при А=0 абсолютные значения RK и RE равны между собой и определяются как RK=RE=F•sin 90•50 /200=0,25F, то есть существенно больше.

В прототипе в конце процесса нагнетания при f= 180 RK=RE=0, а в заявляемой конструкции RK -0,05F и RE= -0,05F.

Таким образом, в прототипе суммарное среднее по времени процесса сжатие-нагнетание усилие R_пр будет равно:
R_пр [RK(f=90)+RK(f=180)+RE(f=90)+RE(f=180)]/2=F(0,25 +0+0,25+0)/2 0,25F, а в заявленной конструкции это же усилие R_з будет равно:
R_з F (0,2+0,05+0,1+0,05)/2=0,2 F (сложение производится с учетом изменения направления реакций в опорах).

То есть снижение среднего трения в данном примере произойдет в 1,25 раза, что весьма существенно.

Преимущества изобретения особенно проявляются при работе компрессора с газостатическим подвесом поршня (фиг.3), содержащего дополнительно полости 12 и 13, соединенные между собой каналом 14 и с рабочей полостью 11 обратным клапаном 15, а также дроссельные отверстия 16, создающие вокруг поршня газостатический несущий слой.

При возвратно-поступательном движении поршня давление из полости 11 поступает в полость 12 через клапан 15 и далее через канал 14 в полость 13, истекая из полостей 12 и 13 через дроссели 16 в зазор между поршнем 4 и цилиндром 1.

В соответствии с ранее описанной работой устройства, изображенного на фиг. 1, усилие, действующее на поршень перпендикулярно его оси, существенно ниже, чем в том случае, когда торцевая часть уплотнения 6 перпендикулярна оси цилиндра. При этом требуется существенно меньший расход газа на центрирование поршня 4 в цилиндре 1, а следовательно, и меньшие энергетические потери.

Таким образом, предложенная конструкция компрессора позволяет снизить энергетические потери при его работе и повысить его экономичность.

Использование: в компрессоростроении. Сущность изобретения: в компрессоре с бесконтактным уплотнением поршня, содержащем по крайней мере один цилиндр с камерой сжатия и размещенный в ней с зазором поршень, имеющий направляющую опорную и бесконтактную уплотняющую части, и кривошипно-ползунный механизм привода, ось вращения которого пересекает под прямым углом ось цилиндра, торцевая поверхность уплотняющей части поршня выполнена под углом к образующей цилиндра, удовлетворяющем соотношению:
0 <А <arcsin ((R•sin f)/L)
где A - угол между нормалью, проведенной к торцевой поверхности уплотняющей части поршня и осью цилиндра; R - радиус кривошипа; L - расстояние от центра торцевой поверхности уплотняющей части поршня до заднего торца направляющей опорной части поршня; f - угол поворота кривошипа, соответствующий максимальному давлению сжатия в цилиндре. Изобретение позволяет снизить энергетические потери при работе компрессора и повысить его экономичность. 3 ил.

Компрессор с бесконтактным уплотнением поршня, содержащий по крайней мере один цилиндр с камерой сжатия и размещенным в ней поршнем, имеющим направляющую опорную и уплотняющую бесконтактную части, и кривошипно-ползунный механизм привода, ось вращения которого пересекает под прямым углом ось цилиндра, отличающийся тем, что торцевая поверхность уплотняющей части поршня выполнена под углом к образующей цилиндра, удовлетворяющим соотношению
O < A < arcsin ((R • sin f)/L),
где A угол между нормалью, проведенной к торцевой поверхности уплотняющей части поршня и осью цилиндра;
f угол поворота кривошипа, соответствующий максимальному давлению сжатия газа в цилиндре;
R радиус кривошипа;
L расстояние от центра торцевой поверхности уплотняющей части поршня до заднего торца направляющей опорной части поршня.