ПОРШНЕВОЙ КОМПРЕССОР Российский патент 1997 года по МПК F04B25/00 F04B31/00 

Изобретение относится к компрессоростроению и может быть использовано при создании поршневых компрессоров, к которым предъявляются высокие требования по ресурсу работы и чистоте сжимаемого газа.

Известен поршневой компрессор включающий цилиндр с камерой сжатия, всасывающим и нагнетательным клапанами, картер и установленный в цилиндре с радиальным зазором поршень, имеющий боковую поверхность, служащую статическим подшипником [1]
Известен также поршневой компрессор, содержащий запрессованный в полый корпус цилиндр с размещенным в нем с радиальным зазором поршнем, имеющим боковую поверхность в виде газостатического подшипника, подпитываемого через дроссели, подключенные к полости сжатия и выполненные в виде набора шероховатых дисков, служащих частью цилиндра [2]
Недостатком известных конструкций является невысокий КПД вследствие значительных утечек через зазор между поршнем и стенками цилиндра, величина которого должна быть достаточно большой для компенсации неравномерных температурных деформаций цилиндра. Во время работы цилиндр с корпусом нагреваются, а значит и расширяются, неравномерно (верх больше, низ - меньше), в то время как поршень, не имея практически контакта с окружающей средой, нагревается более равномерно, что подтверждено экспериментально. Это обстоятельство особенно сильно проявляется при использовании для центрирования поршня газостатического подвеса с питанием через полость поршня, заполняемую через обратный клапан из полости цилиндра горячим сжатым газом. В связи с изложенным приходится для обеспечения работоспособности конструкции существенно уменьшать ход поршня и, таким образом, снижать скорость его перемещения в цилиндре и производительность компрессора. Это, в свою очередь, приводит к неизбежному увеличению относительного мертвого пространства и относительных (по отношению к производительности) утечек сжимаемого газа и особенно относительному расходу газа на центрирование поршня, что существенно снижает КПД компрессора.

Задачей изобретения является повышение КПД компрессора путем снижения неравномерности температурной деформации цилиндра.

Поставленная задача может быть решена за счет того, что в компрессоре, содержащем запрессованный в корпус цилиндр с камерой сжатия, всасывающим и нагнетательным клапанами, установленный в цилиндре с радиальным зазором поршень, соединенный с механизмом привода, корпус цилиндра выполнен из материала, температурный коэффициент которого (ТКЛР) больше ТКЛР материала цилиндра и выполнен в виде усеченного конуса с основанием, направленным в сторону механизма привода, и углом наклона образующей к оси конуса, определяемым соотношением.

где C₁ наружный радиус вершины усеченного конуса;
C₂ наружный радиус основания усеченного конуса;
L высота конуса,
причем C₁ и C₂ определяются из соотношений

где b наружный радиус цилиндра,

где a внутренний радиус цилиндра;
α_к температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) материала корпуса цилиндра;
α_ц ТКЛР материала цилиндра;
α_Σ1,2 соответственно ТКЛР низа и верха прессового соединения корпуса и цилиндра;
μ_ц коэффициент Пуассона материала цилиндра;
μ_к коэффициент Пуассона материала корпуса;
E_к, E_ц соответственно модули упругости материалов корпуса и цилиндра;
при этом

где T₂ температура верха корпуса цилиндра после выхода компрессора на установившийся тепловой режим работы (определяется расчетным путем или экспериментально по компрессору-аналогу);
T₁ температура низа корпуса цилиндра после выхода компрессора на установившийся тепловой режим работы (определяется расчетным путем или экспериментально по компрессору-аналогу);
T₀ температура корпуса цилиндра до запуска компрессора (определяется по температуре окружающей среды).

Изобретение позволяет сохранить неизменной геометрию зазора вдоль образующей цилиндра, т.е. добиться одинакового расширения верхней и нижней части цилиндра, несмотря на существенный перепад температур между ними, образующийся в процессе сжатия газа компрессором.

Уравнение (1) получено из геометрических соотношений. В основу уравнений (2) и (3) положены зависимости, приведенные в книге "Опоры скольжения с газовой смазкой" под ред. Шейнберга С.А. М. Машиностроение, 1979, с. 6-27 для расчета прессового соединений двух цилиндрических труб.

На чертеже схематично изображено продольное сечение компрессора с бесконтактным уплотнением поршня, имеющего газостатический подвес, обеспечивающий надежное центрирование.

Компрессор состоит из цилиндра 1, запрессованного в конический корпус 2, которые с поршнем 3 и клапанной плитой 4 образуют рабочую полость 5. Поршень 3 выполнен полым и связан с рабочей полостью 5 через обратный клапан 6 и с зазором 7 через дроссели 8, равномерно расположенные по окружности. Клапаны 9 и 10 служат для организации всасывания и нагнетания газа, шток 11 соединен с механизмом привода и служит для перемещения поршня 3. Наружная поверхность корпуса 2 расширяется под углом к оси цилиндра в направлении механизма привода.

Компрессор работает следующим образом. При возвратно-поступательном движении поршня 3 происходит изменение объема полости 5, в результате чего газ всасывается через клапан 9 и нагнетается потребителю через клапан 10. Кроме того, сжатый газ через клапан 6 попадает в полость поршня 3 и истекает из оттуда через дроссели 8 в зазор 7, образуя несущий газовый слой, удерживающий поршень 3 от касания о стенки цилиндра 1. Выделяющаяся при сжатии теплота передается поршню 3, цилиндру 1 и корпусу 2. При этом поршень 3 нагревается практически равномерно по длине, а на цилиндре появляется существенный перепад температур. Однако благодаря тому, что цилиндр запрессован в корпус, выполненный из материала с ТКЛР большим, чем ТКЛР материала цилиндра, и расширяется в сторону механизма привода (в сторону меньшей теплонапряженности), температурные деформации прессового соединения "корпус-цилиндр" выравниваются, обеспечивая одинаковый зазор между поршнем и цилиндром вдоль его образующей.

Это дает возможность выполнять зазор между поршнем и цилиндром минимальным, снижая тем самым утечки газа и затраты его на центрирование поршня, использовать большой ход поршня, снижая относительные потери от утечек и на центрирование, увеличить производительность и КПД компрессора.

Использование: в компрессоростроении и может быть использовано при создании поршневых компрессоров, к которым предъявляются высокие требования по чистоте сжимаемого газа и ресурса работы. Сущность изобретения состоит в том, что в компрессоре, содержащем запрессованный в корпус цилиндр с камерой сжатия, всасывающим и нагнетательным клапанами, установленный в цилиндре с радиальным зазором поршень, соединенный с механизмом привода, корпус цилиндра выполнен из материала, температурный коэффициент линейного расширения /ТКЛР/ которого больше ТКЛР материала цилиндра, и выполнен в виде усеченного конуса с основанием, направленным в сторону механизма привода, и углом наклона образующей к оси конуса. Для определения угла наклона введено отношение. Изобретение позволяет добиться равномерного по образующей цилиндра тепловой деформации, несмотря на существенный перепад температур, образующийся в процессе работы компрессора, что позволяет работать с минимальными зазорами и повысить КПД компрессора. 1 ил.

Поршневой компрессор, содержащий запрессованный в корпус цилиндр с камерой сжатия, всасывающим и нагнетательным клапанами, установленный в цилиндре с радиальным зазором поршень, соединенный с механизмом привода, отличающийся тем, что корпус цилиндра выполнен из материала, температурный коэффициент линейного расширения которого (ТКЛР) больше ТКЛР материала цилиндра и выполнен в виде усеченного конуса с основанием, направленным в сторону механизма привода, и углом наклона образующей к оси конуса, определяемым соотношнием

где С₁ наружный радиус вершины усеченного конуса;
С₂ наружный радиус основания усеченного конуса;
L высота конуса,
причем С₁ и С₂ определяются из соотношений

где b наружный радиус цилиндра;

где a внутренний радиус цилиндра;
α_к- ТКЛР материала корпуса цилиндра;
α_ц- ТКЛР материала цилиндра;
α_Σ1,2- приведенный ТКЛР низа и верха прессового соединения цилиндра и корпуса цилиндра;
μ_ц- коэффициент Пуассона материала цилиндра;
μ_к- коэффициент Пуассона материала корпуса;
Е_к, Е_ц соответственно модули упругости материалов корпуса и цилиндра,
при этом

где
Т₁ температура низа цилиндра при установившемся тепловом режиме;
Т₂ температура верха цилиндра при установившемся тепловом режиме;
Т₀ температура корпуса цилиндра до запуска компрессора.