СПОСОБ ПОДАЧИ СЖАТОГО ГАЗА В ПОЛОСТЬ ПИТАНИЯ ГАЗОВОГО ПОДВЕСА ПОРШНЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F04B31/00 

Изобретение относится к области компрессоростроения и может быть использовано при создании компрессоров, к которым предъявляются высокие требования по чистоте сжимаемого газа.

Известен способ подачи сжатого газа в полость питания газового подвеса поршня, заключающийся в подаче сжатого компрессором газа в зазор между поршнем и цилиндром [1].

Известен также способ подачи сжатого газа в полость питания газового подвеса поршня, заключающийся в отборе части сжатого газа из полости цилиндра и подачи его в накопительную полость с последующим дросселированием в зазор между поршнем и цилиндром [2].

Недостатком известных способов является излишняя затрата мощности компрессора на сжатие используемого для центрирования поршня газа при отсутствии больших боковых усилий, действующих на поршень. Это особенно актуально для хорошо уравновешенных компрессоров с крейцкопфным механизмом движения поршня, сжимающих газ до средних (25 - 50 бар) и высоких (свыше 50 бар) давлений, когда при осуществлении известных способов подачи газа в полость питания газового подвеса подача газа к дроссельным устройствам производится под давлением, близким к давлению нагнетания. В этом случае для уменьшения расхода газа на центрирование поршня при отсутствии значительных боковых нагрузок (это необходимо для повышения экономичности компрессора) приходится уменьшать проходное сечение дросселей. Это приводит к использованию неоптимального отношения давлений перед дросселем и в зазоре газового подвеса поршня (0,5 - 0,3 и менее), что чревато появлением неустойчивых режимов работы подвеса (появлению автоколебательных процессор типа "пневмомолоток") и снижает работоспособность конструкции. Снижение давления питания газового подвеса с целью приближения к оптимальному соотношению между давлением перед дросселями (давление наддува) и давлением в зазоре газового подвеса (оптимальное отношение давлений с точки зрения максимальной несущей способности, экономичности и пневмоустойчивости равно 0,6 - 0,8) можно произвести за счет увеличения сопротивления клапана или магистрали, непосредственно соединяющих полость сжатия цилиндра с полостью питания газового подвеса поршня. Однако этот путь порочен тем, что получение хороших характеристик газового подвеса достигается за счет потерь энергии при дросселировании газа через вышеупомянутые клапан или магистраль, т.е. за счет ухудшения экономичности компрессора.

Основной задачей изобретения является повышение экономичности и работоспособности компрессора с газовым подвесом поршня.

Указанная задача может быть решена за счет того, что в известном способе подачи газа в полость питания газового подвеса поршня отбор газа производят на части хода сжатия.

В компрессоре для осуществления данного способа, содержащем цилиндр с установленным в нем с зазором поршнем и полость питания газового подвеса поршня, соединенную с зазором между поршнем и цилиндром через дроссельные устройства и с полостью сжатия цилиндра через обратный клапан, данный клапан установлен в стенке цилиндра на расстоянии от нижней мертвой точки меньшем, чем проходит поршень при осуществлении процесса сжатия, причем это расстояние может быть определено из соотношения
S_p ≥ 1,3 • M_p • R •T_p / D² • P_p, (1)
где
М_р - массовый расход сжатого газа на питание газового подвеса поршня за его один двойной ход;
R - газовая постоянная сжимаемого газа;
T_р - температура газа в полости питания;
D - диаметр цилиндра;
P_p - давление в полости питания газового подвеса поршня.

На фиг. 1 схематично изображено сечение компрессора, осуществляющего предлагаемый способ; на фиг. 2 - индикаторная диаграмма давлений в полости сжатия цилиндра (линия E-E) и в полости питания (линия F-F) по углу поворота φ коленчатого вала компрессора.

Компрессор (фиг. 1) состоит из цилиндра 1, в котором с зазором 2 установлен направляемый крейцкопфным механизмом (не показан) поршень 3. Цилиндр 1 имеет полость 4, соединенную с камерой сжатия 5 через обратный клапан 6, установленный в выточке 7, и с зазором 2 через дроссели 8, равномерно расположенные по окружности цилиндра 1. В крышке цилиндра 1 размещены полость всасывания 9 с клапаном 10 и полость нагнетания 11 с клапаном 12.

Компрессор работает следующим образом (фиг. 1 и 2). При возвратно-поступательном движении поршня 3 происходит всасывание газа под давлением P_в через клапан 10 в полость сжатия 5. При этом сначала происходит расширение газа из мертвого пространства и затем поступление свежей порции всасываемого газа (Линия E - H на фиг. 2). Затем при движении поршня вверх в камере сжатия давление повышается и еще в процессе сжатия достигает величины давления P_p в полости питания 4 газового подвеса поршня 3 (линии H-A-B на фиг. 2). При этом клапан 6 открывается, и сжатый газ начинает поступать в полость питания 4. Поступление сжатого газа продолжается до тех пор, пока поршень 3 не перекрывает выточку 7, отсекая тем самым клапан 6 от полости сжатия 5 (отрезок B-C для давления в камере сжатия 5 и отрезок B-C₁ для давления в полости питания 4). При этом поршень 3 проходит путь S_p от нижней мертвой точки, а линия B-C₁ расположена несколько ниже линии B-C в связи с наличием сопротивления клапана 6. Затем поршень 3 продолжает сжатие газа и далее его нагнетание с давлением P_н потребителю (отрезок C-N-D-E), а давление в полости 4 плавно падает в связи с расходом газа через дроссели 8 в зазор 2, где создается несущий газовый слой, предотвращающий касание поршня 3 о стенки цилиндра 1 под действием усилий, связанных с неточностью изготовления и износом крейцкопфного механизма.

Таким образом, полость питания 4 оказывается заполненной под давлением, меньшим, чем максимальное давление сжатия (точка N на фиг. 2), что дает возможность при сжатии газа до средних и высоких давлений в камере 5 поддерживать в полости 4 минимально необходимое для бесконтактной работы поршня 3 давление, снижая тем самым расход мощности компрессора на центрирование поршня 3.

Данное обстоятельство хорошо иллюстрируется диаграммой на фиг. 2. Так, при известном способе подачи сжатого газа на центрирование, когда отбор этого газа происходит в верхней части камеры сжатия 5, работа сжатия, совершенная над газом, поступившим в полость питания газового подвеса, будет определяться площадью A-B-C-N-D-G-K-A, а в предложенном способе - площадью A-B-C-K-A, т.е. работа, затраченная на питание газового подвеса поршня во втором случае гораздо меньше, что позволяет существенно повысить экономичность компрессора. Указанное отличие полностью сохраняется и в случае попытки снизить при использовании известного способа затраты мощности на центрирование путем увеличения сопротивления газу на его пути из камеры сжатия 5 в зазор 2 путем повышения сопротивления клапана, магистрали или дросселей газового подвеса, т.к. удельные затраты энергии на сжатие газа, поданного в зазор 2, окажутся прежними, и выигрыш в работе в этом случае определяется только уменьшением расхода газа, в то врем как в предложенном способе имеются обе составляющие, снижающие затраты мощности - и снижение расхода газа на центрирование, и уменьшение удельной работы на его сжатие.

Представленное уравнение (1) получено на решении системы уравнений баланса массовых потоков газа, и при известном расходе газа на центрирование поршня позволяет определить координату выточки 7, из которой сжатый в полости 5 газ поступает в полость 4.

Таким образом, предложенные способ и устройство для его осуществления позволяют снизить затраты мощности на питание газового подвеса поршня при организации оптимальных параметров подвеса, что дает возможность повысить работоспособность и экономичность компрессора.

Источники информации
1. Авторское свидетельство 947465, М.кл F 04 B 31/00, 39/00, 1982, Б.И. N 28, "Поршневой холодильный компрессор".

2. Авторское свидетельство 821743, М.кл F 04 B 31/00, 1981, Б.И. N 14, "Поршневой компрессор".

Способ может быть использован в компрессорах с высокими требованиями по чистоте сжимаемого газа. Часть сжатого газа из полости цилиндра подают в накопительную полость с последующим дросселированием в зазор между поршнем и цилиндром. Отбор газа производят на части хода сжатия. В цилиндре компрессора установлен с зазором поршень. В стенке цилиндра выполнена полость питания газового подвеса поршня, соединенная с зазором между поршнем и цилиндром через дроссельные устройства. С полостью сжатия цилиндра полость питания соединена через обратный клапан. Упомянутый клапан установлен в стенке цилиндра на расстоянии от нижней мертвой точки меньше, чем проходит поршень при осуществлении процесса сжатия. Расстояние S p от нижней мертвой точки до клапана может быть определено из следующего соотношения: S_p≥1,3•Mp•R•Tp/D²•Pp, где Мр - массовый расход газа на питание газового подвеса поршня за его один двойной ход; R - газовая постоянная сжимаемого газа; Тр - температура газа в полости питания; D - диаметр цилиндра; Рр - давление в полости питания газового подвеса поршня. Позволяет снизить затраты мощности на питание газового подвеса поршня, что повышает работоспособность и экономичность компрессора. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ подачи сжатого газа в полость питания газового подвеса поршня, заключающийся в отборе части сжатого газа из полости цилиндра и подаче его в накопительную полость с последующим дросселированием в зазор между поршнем и цилиндром, отличающийся тем, что отбор газа производят на части хода сжатия. 2. Устройство для осуществления способа подачи сжатого газа в полость питания газового подвеса поршня, содержащее цилиндр с установленным в нем с зазором поршнем и полость питания газового подвеса поршня, соединенную с зазором между поршнем и цилиндром через дроссельные устройства и с полостью сжатия цилиндра через обратный клапан, отличающееся тем, что упомянутый клапан установлен в стенке цилиндра на расстоянии от нижней мертвой точки меньшем, чем проходит поршень при осуществлении процесса сжатия. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что расстояние S_р от нижней мертвой точки до клапана, соединяющего полость сжатия цилиндра с полостью питания газового подвеса поршня, определяется из следующего соотношения
S_р ≥ 1,3 • M_р • R • T_р/D² • P_р,
где M_р - массовый расход сжатого газа на питание газового подвеса поршня за его один двойной ход;
R - газовая постоянная сжимаемого газа;
T_р - температура газа в полости питания;
D - диаметр цилиндра;
P_р - давление в полости питания газового подвеса поршня.