ПОРШНЕВОЙ КОМПРЕССОР Российский патент 2000 года по МПК F04B37/16 

Изобретение относится к конструкции поршневых компрессоров (ПК), используемых для сжатия газообразной среды или для получения вакуума.

В настоящее время известны различные конструкции ПК, у которых в качестве газораспределительных органов используются самодействующие или принудительного действия всасывающие и нагнетательные клапаны, которые подключаются к цилиндру через соответственно впускные и выпускные окна.

Наличие клапанов, а также впускных и выпускных окон в цилиндре вызывает увеличение объема мертвого пространства цилиндра над поршнем при положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ), который снижает коэффициент наполнения цилиндра и производительность ПК.

При этом клапаны и окна имеют свой индивидуальный объем мертвого пространства. Отрицательное влияние объема мертвого пространства тем больше, чем выше степень сжатия в цилиндре. Особенно это ощущается у вакуумных компрессоров, степень сжатия в цилиндре у которых может быть больше десяти. В результате при достижении расчетной предельной степени сжатия вакуумный компрессор перестает откачивать газ из системы, т.к. объем вредного мертвого пространства цилиндра после расширения становится соизмерим с рабочим объемом цилиндра, который описывается поршнем.

У всех известных конструкций ПК всасывающие и нагнетательные клапаны, самодействующие или принудительные, располагаются в верхней части цилиндра или в крышке цилиндра и сообщаются с цилиндром через окна. Соответственно в суммарный объем мертвого пространства цилиндра входят объемы мертвого пространства этих элементов (Михайлов А.К., Ворошилов В.П. Компрессорные машины. Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1989, с. 288).

Предлагаемая конструкция ПК, так же как и известные ПК, содержит цилиндр с впускными и выпускными окнами, соединенными с всасывающими и нагнетательными клапанами, поршень цилиндра и объем мертвого пространства над поршнем при его положении в ВМТ.

Целью изобретения является повышение производительности ПК и возможность получения большего вакуума, для чего необходимо уменьшить влияние объема мертвого пространства цилиндра.

Это достигается тем, что впускные окна всасывающих клапанов расположены на участке цилиндра в осевом направлении так, что их верхняя кромка находится на уровне или вблизи от торцевой кромки поршня при его положении в точке окончания расширения газа из объема мертвого пространства до величины давления всасывания, а на участке цилиндра в осевом направлении над или ниже торцевой кромки поршня при его положении в нижней мертвой точке (НМТ) выполнены дополнительные окна, соединенные напрямую с камерой всасывания. При этом в поршне выполнен перепускной канал, соединяющий впускные окна всасывающих клапанов с дополнительными окнами в момент подхода поршня к верхней мертвой точке.

Изложенная сущность изобретения поясняется на фиг. 1-5, на которых на фиг. 1, 2 и 3 показаны схемы ПК с различным положением поршней в цилиндре, на фиг. 4 показаны для сравнения две теоретические индикаторные диаграммы рабочего процесса ПК в координатах давление - ход поршня (P), на фиг. 5 показана схема расположения кривошипа и поршня в характерных точках индикаторной диаграммы.

В качестве примера рассматривается одноступенчатый одноцилиндровый ПК, у которого степень сжатия в цилиндре больше 3, в частности ПК для получения вакуума.

Предлагаемая конструкция ПК содержит цилиндр 1 с впускными 2 и выпускными 3 окнами, соединенными соответственно с всасывающими 4 и нагнетательными 5 клапанами, дополнительные окна 6 и поршень 7, соединенный с помощью шатуна 8 с кривошипом 9.

Впускные окна 2 имеют верхнюю кромку 10, а поршень 7 имеет торцевую кромку 11. Всасывающие клапаны 4 и дополнительные окна 6 соединены индивидуальными патрубками 12 с камерой всасывания 13, а нагнетательные клапаны соединены с камерой нагнетания 14.

Впускные окна 2 всасывающих клапанов 4 расположены на участке цилиндра в осевом направлении так, что их верхняя кромка 10 находится на уровне или вблизи от торцевой кромки 11 поршня 7 при его положении в точке окончания расширения газа из объема мертвого пространства до величины давления всасывания.

Дополнительные окна 6 соединены напрямую (без взасывающих клапанов) с камерой всасывания 13 и расположены на участке цилиндра в осевом направлении над или ниже торцевой кромки 11 поршня 7 при его положении в НМТ. При этом в поршне 7 выполнен перепускной канал 15, соединяющий окна 2 всасывающих клапанов 4 с дополнительными окнами 6 в момент подхода поршня к ВМТ.

Для пояснения принципа работы ПК на фиг. 4 приведены индикаторные диаграммы рабочего цикла ПК в координатах PV, на которых использованы обозначения:
ВМТ - верхняя мертвая точка,
НМТ - нижняя мертвая точка,
P - давление в цилиндре,
V - объем,
P_н - давление нагнетания,
P_а - атмосферное давление,
P_в - давление всасывания,
V_п - объем, описываемый поршнем,
V_в - объем, поступающий в цилиндр по условиям всасывания,
V_н - объем, выпускаемый из цилиндра по условиям нагнетания,
V_м - суммарный объем мертвого пространства,
V_мвк - объем мертвого пространства всасывающих клапанов и окон, впускных окон,
V_р - объем расширенного суммарного мертвого пространства до давления всасывания,
1 - точка окончания впуска и начало сжатия,
2 - точка окончания сжатия и начало выпуска,
3 - точка окончания выпуска и начало расширения газа из объема мертвого пространства,
- точка окончания расширения объема суммарного мертвого пространства до давления всасывания,
5 - величина давления возможного максимального вакуума.

На фиг. 4 одна индикаторная диаграмма соответствует рабочему циклу ПК ближайшего прототипа, у которого всасывающие клапаны и впускные окна находятся над поршнем при его положении в ВМТ. Другая индикаторная диаграмма соответствует рабочему циклу предлагаемого ПК. На этой диаграмме все характерные точки имеют такой же номер, как и на первой, но приведены со знаком штрих.

Принцип работы ПК заключается в следующем.

На фиг. 1 показано начало рабочего цикла в точке 1. В этом положении поршень находится в НМТ и начинает движение вверх, что вызывает в цилиндре процесс сжатия газа. Газ сжимается в цилиндре 1, а также в объеме мертвого пространства нагнетательных клапанов 5 и всасывающих клапанов 4. По мере движения поршня вверх окна 2 всасывающих клапанов 4 при давлении меньшем P_н перекрываются поршнем и сжатие объема мертвого пространства всасывающих клапанов 4 прекращается и остается на расчетном уровне. В точке 2' давление до и после нагнетательных клапанов 5 выравнивается, и начинается процесс выталкивания газа на участке 2'-3, где точка 3 соответствует ВМТ. Величина этого отрезка V'_н характеризует производительность ПК.

При положении поршня 7 в ВМТ, как показано на фиг. 2, окна 2 всасывающих клапанов 4 с помощью перепускного канала 15 на поршне соединяются с дополнительными окнами 6. В результате газ, сжатый в объеме мертвого пространства всасывающих клапанов 4, полностью стравливается в камеру всасывания 13, что исключает его дальнейшее вредное действие при расширении когда поршень откроет окна 2 всасывающих клапанов.

После ВМТ поршень 7 начинает двигаться вниз и начинается расширение объема мертвого пространства только из нагнетательных клапанов 5 и их окон 3. Расширение газа идет до точки 4' на диаграмме, которая соответствует давлению в камере всасывания 13. В этой же точке 4, которая соответствует совмещению торцевой кромки 11 поршня 7 с верхней кромкой 10 впускных окон 2, как показано на фиг. 3, начинается открытие впускных окон 2 всасывающих клапанов 4 и сразу начинается процесс начала всасывания в цилиндре 1, т.к. объем мертвого пространства всасывающих клапанов уже имеет давление, равное давлению в камере всасывания 13. Процесс всасывания идет на участке 4' - 1 и равен объему V'_в. После точки 1 рабочий процесс ПК повторяется.

Как видно из индикаторных диаграмм, объем V'_н больше V_н, V'_в больше V_в. Кроме того, продолжение политропы расширения 3-4' до точки 5 по отношению к политропе расширения 3 - 4 - 5 показывает, что предложенный вариант конструкции ПК позволяет получить больший максимально достижимый вакуум в случае использования ПК как вакуумного.

Дополнительные окна 6 могут располагаться над или ниже торцевой кромки 11 поршня 7 при его положении в НМТ.

В первом случае, как показано на фиг.1 - 3, дополнительные окна 6 выполняют роль как перепускных, так и впускных окон, которые вступают в работу, когда поршень 7 подходит к НМТ и позволяют уменьшить сопротивление всасывающего тракта.

Во втором случае дополнительные окна 6 используется только как перепускные.

Предложенный вариант конструкции теоретически может быть применен на всех типах газовых ПК при их новом проектировании и позволит увеличить коэффициент наполнения цилиндра, а следовательно, позволит увеличить их удельную к массе производительность.

Наибольший эффект будет получен при использовании ПК как вакуумного, у которого высокая степень сжатия, а объем мертвого пространства, в том числе всасывающих клапанов, имеет наибольшее отрицательное влияние.

На фиг. 1-5 рассмотрен вариант вакуумного компрессора с высокой степенью сжатия.

Поршневой компрессор может быть использован для сжатия газообразной среды или для получения вакуума. Впускные и выпускные окна цилиндра соединены с всасывающими и нагнетательными клапанами. Поршень размещен в цилиндре. Над поршнем при его положении в верхней мертвой точке образован объем мертвого пространства цилиндра. Целью изобретения является повышение производительности и достижение большего вакуума, для чего необходимо уменьшить влияние объема мертвого пространства цилиндра. Впускные окна всасывающих клапанов расположены на участке цилиндра в осевом направлении так, что их верхняя кромка находится на уровне или вблизи от торцевой кромки поршня при его положении в точке окончания расширения газа из объема мертвого пространства до величины давления всасывания. На участке цилиндра в осевом направлении над или ниже торцевой кромки поршня при его положении в нижней мертвой точке выполнены дополнительные окна, соединенные напрямую с камерой всасывания. В поршне выполнен перепускной канал, соединяющий впускные окна всасывающих клапанов с дополнительными окнами в момент подхода поршня к верхней мертвой точке. Такое выполнение позволяет повысить производительность и обеспечить достижение большего вакуума путем уменьшения влияния объема мертвого пространства цилиндра. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Поршневой компрессор для сжатия газообразной среды или для получения вакуума, содержащий цилиндр с впускными и выпускными окнами, соединенными с всасывающими и нагнетательными клапанами, поршень цилиндра и объем мертвого пространства цилиндра над поршнем при его положении в верхней мертвой точке, отличающийся тем, что впускные окна всасывающих клапанов расположены на участке цилиндра в осевом направлении так, что их верхняя кромка находится на уровне или вблизи от торцевой кромки поршня при его положении в точке окончания расширения газа из объема мертвого пространства до величины давления всасывания. 2. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что на участке цилиндра в осевом направлении над или ниже торцевой кромки поршня при его положении в нижней мертвой точке выполнены дополнительные окна, соединенные напрямую с камерой всасывания. 3. Компрессор по пп. 1 или 2, отличающийся тем, что в поршне выполнен перепускной канал, соединяющий впускные окна всасывающих клапанов с дополнительными окнами в момент подхода поршня к верхней мертвой точке.