БЕСКОНТАКТНЫЙ КОМПРЕССОР Российский патент 1997 года по МПК F04B25/00 F04B35/00 

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

Известны компрессоры, содержащие по крайней мере один цилиндр с установленным в нем поршнем, имеющим направляющую и уплотняющую бесконтактную части [1]
Известен также компрессор, имеющий по крайней мере один цилиндр с всасывающими и нагнетательными клапанами и поршень, имеющий направляющую и бесконтактную уплотняющую части и соединенный с кривошипно-ползунным механизмом привода, содержащим приводной вал, соединенный с двигателем, и размещенный на нем эксцентрично оси вала ведущий палец [2]
Недостатком известных конструкций является их низкая экономичность и невысокий ресурс работы, что связано прежде всего с наличием значительных боковых усилий на поршне, что приводит к потере мощности и быстрому износу при использовании в качестве направляющей поршня ползуна, снабженного самосмазывающимися материалами, или при выполнении направляющей поршня в виде газостатического подвеса к большим затратам энергии на центрирование поршня. Кроме того, в известных конструкциях не удается полностью избавиться от вибрации, связанной с наличием неуравновешенных полностью инерционных нагрузок даже при использовании противовесов на приводном валу, что приводит к ускоренному износу направляющей поршня при использовании самосмазывающихся материалов и к дополнительному расходу газа на центрирование при выполнении направляющей поршня в виде газостатического подвеса. Вибрация компрессора также отрицательно сказывается на его возможности использования в непосредственной близости от человека, что приводит к необходимости его удаления и удорожает общую стоимость компрессорной установки.

Задачей изобретения является снижение вибрации компрессора, повышение его экономичности и ресурс работы.

Поставленная задача решается тем, что в компрессоре, содержащем по крайней мере один цилиндр с нагнетательными и всасывающими клапанами и поршень, имеющий направляющую и бесконтактную уплотняющую части и соединенный с кривошипно-ползунным механизмом привода, содержащим приводной вал, соединенный с двигателем, и размещенный на нем эксцентрично оси вала ведущий палец, установлен дополнительный приводной вал с ведущим пальцем, причем эксцентриситеты обоих пальцев равны между собой, оси обоих приводных валов пересекают ось цилиндра под прямым углом и параллельны друг другу, а оба ведущих пальца находятся относительно друг друга в противофазе по угле поворота. Оси основного и дополнительного приводных валов могут совпадать друг с другом, дополнительный приводной вал может быть соединен со своим двигателем, направление вращения которого противоположно направлению вращения основного приводного вала и равно ему по угловой скорости, на основном и дополнительном валах могут быть закреплены шестерни, соединенные друг с другом через паразитную шестерню, и которые могут иметь окна, расположение которых совпадает с расположением ведущих пальцев, дополнительный и приводной валы могут содержать противовесы, расположенные один напротив другого.

На фиг. 1 изображено поперечное сечение компрессора с двумя приводными двигателями: на фиг. 2 его продольное сечение: на фиг. 3 поперечное сечение компрессора, оба приводных вала которого имеют жестко посаженные шестерни, соединенные паразитной шестерней: на фиг. 4 продольное сечение компрессора с газостатическим центрированием поршней и приводными валами, оси которых смещены одна относительно другой вдоль оси цилиндров; на фиг. 5 - компрессор, который может использоваться преимущественно при создании миниатюрных машин.

Компрессор состоит (фиг. 1 и 2) из цилиндра 1, в котором с зазором 2 размещен поршень 3, имеющий направляющую 4 и бесконтактную уплотняющую 5 части. Поршень 3 имеет паз 6, в котором размещены условно ведущий 7 и условно ведомый 8 пальцы, эксцентрично установленные на приводном 9 и дополнительном 10 валах, оси которых совпадают друг с другом, перпендикулярны оси цилиндра 1 и вращаются с одинаковой скоростью в противоположных направлениях от двигателей 11 и 12. Приводной 9 и дополнительный 10 валы снабжены противовесами 13 и 14, расположенными как и пальцы 7, 8 напротив друг друга (в противофазе). Клапаны 15 и 16 служат соответственно для всасывания и нагнетания газа из рабочей полости 17 цилиндра 1.

На фиг. 3 изображено поперечное сечение компрессора с жестко закрепленными шестернями 18 и 19 соответственно на ведущем и ведомом приводных валах, связанных между собой паразитной шестерней 20, которая установлена на подшипнике 21. Шариковая направляющая 22 служит для удержания поршня 3 от покачивания, которое может возникнуть из-за момента сил трения. Шестерни 18 и 190 имеют окна 23 и 24, которые образуют противовесы совместно с массой шестерен, расположенные на одной стороне с пальцами 7,8.

На фиг. 4 оси ведомого 10 и ведущего 9 валов смещены один относительно другого, что дает возможность разместить опорные поверхности пальцев 7 и 8 практически точно по оси цилиндра 1 и избавиться от момента сил трения, покачивающих поршень вокруг оси цилиндра (фиг. 1). При этом возникает момент от сил трения пальцев в пазах 25 и 26, который компенсируется несущей способностью газового подвеса, образованного за счет полости питания 27, дросселей 28 и клапана 29, соединяющего полость 17 с полостью 25. В данном примере компрессор имеет два цилиндра, расположенных на одной оси, и два поршня, соединенные штоком 30, в котором и расположены пазы 25, 26. Сечение штока показано тонкой заштрихованной линией.

В микрорасходном компрессоре, конструкция которого изображена на фиг. 5, показано, как можно передать возвратно-поступательное движение миниатюрному поршню с помощью ползунов 31, установленных на пальцах 7, 8 с возможностью вращения, и направляющих 32, неподвижно установленных на штоке 30.

Компрессор работает следующим образом (фиг. 1 и 2). При синхронном и противоположно направленном вращении валов 9 и 10 пальцы 7 и 8 совершают встречное орбитальное движение вокруг оси цилиндра 1 и, воздействуя на поверхности паза 6, придают поршню 3 возвратно-поступательное движение. При этом объем полости 17 изменяется от максимума до минимума, что при наличии клапанов 15 и 16 приводит к всасыванию газа в полость 17, его сжатию и нагнетанию потребителю. Бесконтактная работа уплотнения 5 в данном примере обеспечивается наличием направляющей части 4 поршня 3.

Поскольку двигатели 11 и 12 подбираются с близкими характеристиками по крутящему моменту и коэффициенту скольжения (последнее существенно для асинхронных двигателей), а эксцентриситеты обоих пальцев 7 и 8 равны между собой, то усилия F2 от пальца 7 и F1 от пальца 8 равны между собой и не создают крутящего момента, опрокидывающего поршень и прижимающего направляющую часть 4 к стенке цилиндра 1. Сумма сил F1 и F2 равно поршневой силе F_п, возникающей от перепада давления на поршне.

При использовании данного механизма движения законы перемещения противовесов 13 и 14 и поршня 3 вдоль оси цилиндра 1 одинаковы, в связи с чем соответствующий подбор масс противовесов 13, 14 обеспечивает равенство нулю суммы проекций сил инерции противовесов на ось цилиндра (F_и1 и F_и2 и силы инерции поршня F_ип.

Сумма проекций сил трения от пальца 7 (F_т2) и от пальца 8 (F_т1) на вертикальную ось равна нулю, но, в то же время, эти силы создают крутящий момент относительно оси цилиндра, направление которого изменяется через каждые 180 градусов поворота валов 9, 10, что приводит к безопасному для конструкции покачиванию поршня вокруг своей оси и не создает боковых усилий, прижимающих поршень к стенке цилиндра. Величина этого момента зависит от силы трения пальцев 7, 8 о стенки паза 6 и от расстояния между поверхностями контакта пальцев и паза 6. Силу трения можно практически свести к нулю при использовании подшипников качения, установленных на пальцах 7, 8 (для сравнительно крупных компрессоров). Если же этого по конструктивным соображениям не удается сделать, а покачивание поршня нежелательно, то целесообразно установить на поршне направляющую качения 22 (фиг. 3), одна часть которой неподвижно установлена на поршне 3, а другая на цилиндре 1.

Сумма проекций сил инерции F_и1 и F_и2 всегда уравновешивается проекцией силы инерции поршня F_ип, однако эти силы создают крутящий момент, аналогичный крутящему моменту сил трения пальцев и приводящий к возникновению неуравновешенности компрессора относительно оси цилиндра. Однако колебания компрессора относительно оси цилиндра не приводят к появлению сил инерции, прижимающих поршень 3 к стенке цилиндра 1.

В конструкции, изображенной на фиг. 3, показано, как с помощью синхронизирующих шестерен 18, 19, 20 можно организовать синхронное противоположно направленное вращение валов 9, 10 с приводом от одного двигателя. Здесь же дан вариант использования шестерен 18 и 19 в качестве противовесов, для чего в них напротив пальцев 7 и 8 выполнены облегчающие окна 23 и 24.

На фиг. 4 показано, как можно избавиться от колебаний поршня вокруг оси цилиндра под действием момента от сил трения пальцев в пазу путем разнесения этого паза на два поз. 25 и 26. В этой конструкции контакт пальцев 7 и 8 с телом поршня осуществляется в плоскости, в которой лежит ось цилиндра. В данном случае расстояние между пазами 25 и 26 может быть выполнено чрезвычайно малым, а опорные поверхности поршней 3 (их в данном примере два) могут быть достаточно далеко разнесены, чтобы реакция в опорах поршней была как можно меньше. В данном примере опорные поверхности поршней выполнены в виде газостатических подвесов, полости питания 27 которых через клапаны 29 соединяются во время процесса сжатия с камерой 27, в результате чего полость 27 во время работы компрессора оказывается запитана давлением газа, который, истекая через дроссели 28, создает вокруг поршня в зазоре 2 несущий газовый слой, обладающий достаточной несущей способностью, чтобы удержать поршни 3 от касания о стенки цилиндра под действием сил веса поршней и под действием момента сил трения пальцев 7, 8 о стенки пазов 25, 26. Как уже отмечалось ранее, эти силы трения могут быть сведены практически к нулю при использовании трения качения в сопряжении пальцев 7 и 8 и пазов 25 и 26. В этом случае преимущество конструкции, изображенной на фиг. 3, по сравнению с изображенной на фиг. 1, состоит в основном в существенном уменьшении поперечного сечения компрессора.

Работа компрессора, изображенного на фиг. 5, пояснений не требует. По существу он является симбиозом конструкций, изображенных на фиг. 3 и 4.

Таким образом, в описанных выше конструкциях бесконтактных компрессоров, практически полностью отсутствуют боковые усилия, действующие на опорные поверхности поршней под воздействием поршневых сил, возникающих от перепада давления газа на поршне, и сил инерции, возникающих от неуравновешивания основных узлов компрессора.

Это обстоятельство позволяет значительно продлить ресурс работы компрессора в связи с отсутствием износа направляющей поршня, существенно повысить КПД за счет отсутствия сил трения при контактном направлении поршня и за счет снижения требуемого расхода газа на центрирование при использовании газостатического подвеса поршня.

Отсутствие вибрации также повышает качество компрессора, его конкурентоспособность по сравнению с другими конструкциями, дает возможность располагать компрессор в непосредственной близости от рабочего места и таким образом снизить затраты на перемещение газа к месту его потребления, что также увеличивает КПД компрессорной установки, в составе которой работает компрессор.

Особенно ценные качества имеет заявляемая конструкция для компрессоров с газостатическим центрированием поршня, так как на основе математического моделирования таких компрессоров, проведенных авторами, выяснено, что на работоспособность таких машин и их экономичность огромное влияние оказывает наличие вибраций с амплитудой, направленной в сторону действующих боковых нагрузок от механизма привода.

Предложенное техническое решение позволяет создавать конструкции таких компрессоров, которые по своим экономическим параметрам существенно превысят используемые в настоящее время компрессоры с кольцами из самосмазывающихся материалов, нуждающиеся в сложных устройствах для очистки газа от соединений фтора, выделяющегося при износе политетрафторэтилена, являющегося основным материалом для создания самосмазывающихся композиций.

Использование: в компрессоростроении. Сущность изобретения: в компрессоре, имеющем цилиндр, кривошипно-ползунный механизм привода с приводным валом, имеющим эксцентрик и поршень с бесконтактным уплотнением, установлен дополнительный приводной вал с эксцентриком, вращающимся со скоростью основного приводного вала, но в противоположную сторону, причем радиусы обоих эксцентриков равны между собой, оси валов параллельный друг другу или совпадают друг с другом и пересекают ось цилиндра под прямым углом, дополнительный приводной вал может быть соединен с основным через паразитную шестерню, оба приводных вала имеют противовесы, которые могут быть совмещены с шестернями, установленными на этих валах. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Бесконтактный компрессор, содержащий по крайней мере один цилиндр с нагнетательными и всасывающими клапанами и поршень, имеющий направляющую и бесконтактную уплотняющую части и соединенный с кривошипно-ползунным механизмом привода, содержащим приводной вал, соединенный с двигателем, и размещенный на нем эксцентрично оси вала ведущий палец, отличающийся тем, что компрессор снабжен дополнительным приводным валом с ведущим пальцем, причем эксцентриситеты обоих пальцев равны между собой, оси обоих приводных валов пересекают ось цилиндра под прямым углом и параллельны друг другу, а оба ведущих пальца находятся один относительно другого в противофазе по углу поворота. 2. Компрессор по п. 1, отличающийся тем, что оси основного и дополнительного приводного валов совпадают друг с другом. 3. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что дополнительный привод вал соединен со своим двигателем, направление вращения которого противоположно направлению вращения основного приводного вала и равно ему по угловой скорости. 4. Компрессор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что на основном и дополнительном валах жестко закреплены шестерни, соединенные друг с другом через паразитную шестерню. 5. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что основной и дополнительный приводной валы снабжены противовесами, расположенными один напротив другого. 6. Компрессор по пп.1 и 4, отличающийся тем, что обе шестерни, установленные на основном и дополнительном валах, снабжены окнами, расположение которых совпадает с расположением ведущих пальцев.