ПОРШНЕВОЙ КОМПРЕССОР Российский патент 2001 года по МПК F04B39/10 

Изобретение относится к конструкции поршневых компрессоров (ПК), предназначенных для сжатия газообразной среды. В настоящее время известны различные конструкции ПК (1).

Большинство из них в качестве газораспределительных органов имеют самодействующие всасывающие и нагнетательные клапаны.

Отдельные малораспространенные конструкции ПК имеют всасывающие и нагнетательные клапаны принудительного действия наподобие всасывающих и нагнетательных клапанов, применяемых у четырехтактных двигателей внутреннего сгорания.

Необходимость использования самодействующих или принудительных клапанов сдерживает дальнейшее развитие ПК по пути повышения оборотов и снижения металлоемкости, т. к. повышение оборотов снижает надежность клапанов, которые испытывают большие динамические нагрузки. Существующие конструкции самодействующих клапанов по условиям их надежности не позволяют поднимать скорость вращения стационарных ПК выше 1500 об/мин. Кроме того, надежность клапанов резко снижается при сжатии грязных, например коксовых, газов.

Несмотря на то, что ПК до настоящего времени считаются самыми экономичными и простыми машинами, а также самыми первыми в истории техники сжатия газов, наличие у них самодействующих клапанов, требующих постоянного наблюдения и ремонта, привело к развитию других типов компрессоров, не имеющих клапанов, таких как винтовые, центробежные, осевые, роторные, водокольцевые и другие.

Отказ от использования у ПК самодействующих клапанов резко поднимет их конкурентоспособность по сравнению с другими типами компрессоров и позволит создать ПК нового поколения.

В качестве ближайшего прототипа может быть принят ПК, содержащий рабочий цилиндр с впускными и выпускными окнами, самодействующие всасывающие и нагнетательные клапаны и поршень, связанный с кривошипно шатунным механизмом (там же, с. 10, рис. 1.1).

Недостатком ближайшего прототипа является наличие подверженных поломке и частому обслуживанию самодействующих клапанов.

Предлагаемая конструкция ПК, также как ближайший прототип, содержит рабочий цилиндр с впускными и выпускными окнами, нагнетательный клапан и поршень цилиндра, связанный с кривошипно-шатунным механизмом.

Целью изобретения является повышение надежности, упрощение обслуживания, уменьшение стоимости и увеличение удельной на единицу массы производительности ПК, для чего необходимо отказаться от использования самодействующих нагнетательных и всасывающих клапанов, которые из-за своей низкой надежности сдерживают увеличение скорости вращения ПК и уменьшение его массы при заданной производительности или увеличение производительности при заданной массе ПК.

Это достигается тем, что нагнетательный клапан выполнен принудительным в виде золотниковой камеры нагнетания с впускным окном, которое соединено каналом с выпускным окном рабочего цилиндра и перекрывается золотником, имеющем свой кривошип, который по углу поворота синхронно связан с кривошипно-шатунным механизмом поршня и имеет отклонение от кривошипа поршня против направления вращения на угол α^°, равный 180-α°1

, где α°1 равен половине расчетной угловой фазы нагнетания, определяющей начало и конец открытия впускных окон золотниковой камеры нагнетания, которые размещены над торцевой кромкой золотника при его положении в нижней мертвой точке, а угловая фаза нагнетания является функцией величины внутренней степени сжатия, объема цилиндра и объема его мертвого пространства.

Дополнительно впускные окна рабочего цилиндра размещены на участке цилиндра в осевом направлении так, что их верхняя кромка находится на уровне или вблизи от торцевой кромки поршня рабочего цилиндра при его положении в точке окончания расширения газа из объема мертвого пространства до величины давления всасывания и соединены или с самодействующим всасывающим клапаном, или с принудительным всасывающим клапаном, который выполнен в виде золотниковой камеры всасывания с выпускным окном, которое соединено с впускным окном рабочего цилиндра и перекрывается золотником, имеющем свой кривошип, который по углу поворота синхронно связан с кривошипно-шатунным механизмом поршня и имеет отклонение от кривошипа поршня в направлении вращения на угол α°2

, равный 180-α°3-α°4, где α°3 равен угловой фазе расширения газа из объема мертвого пространства, а α°4 равен половине угловой фазы всасывания, определяющей начало и конец открытия выпускных окон золотниковой камеры всасывания, которые размещены над торцевой кромкой золотника при его положении в нижней мертвой точке, а угловая фаза всасывания является функцией величины внутренней степени сжатия, объема цилиндра и его мертвого пространства.

Конструктивно ПК может иметь варианты:
- золотниковая камера и рабочий цилиндр смещены по отношению друг к другу в осевом направлении до сближения осей их впускных и выпускных окон;
- к одной золотниковой камере может быть подключено несколько рабочих цилиндров;
- ПК может быть выполнен многорядным с расположением одноименных цилиндров и золотниковых камер один за другим, а поршни и золотники предыдущего ряда связаны штоками с поршнями и золотниками последующего ряда;
- золотниковая камера может быть выполнена в виде цилиндра, а золотник в виде цилиндрического полого стакана;
- цилиндр и золотниковые камеры могут быть выполнены двухстороннего действия;
- при двухступенчатом сжатии ПК может быть выполнен двухрядным, при котором второй ряд выполнен с рабочим цилиндром и золотниковой камерой двухстороннего действия, а первый ряд выполнен с рабочим цилиндром и золотниковой камерой одностороннего действия.

Изложенная сущность изобретения поясняется на фиг. 1-8.

Предлагаемый ПК (см. фиг. 1 и 3) содержит рабочий цилиндр 1 с впускными 2 и выпускными 3 окнами, а также золотниковую камеру нагнетания с впускными 5 и выпускными 6 окнами, у которой впускные окна 5 соединены с выпускными окнами 3 рабочего цилиндра с помощью канала 7.

В золотниковой камере нагнетания 4 находится золотник 8, связанный шатуном 9 с кривошипом 10, а в рабочем цилиндре 1 находится поршень 11, связанный шатуном 12 с кривошипом 13. Кривошип 10 золотника 8 по углу поворота синхронно связан с кривошипом 13 поршня 11.

Впускные окна 5 золотниковой камеры нагнетания 4 имеют верхнюю 14 и нижнюю 15 кромки, расстояние между которыми определяет высоту окон 5 и является расчетной величиной, обеспечивающей угловую величину фазы нагнетания. Нижняя кромка 15 окна 5 находится над торцевой кромкой 16 золотника 8 при его положении в нижней мертвой точке (НМТ).

Кривошип 10 золотника 8 имеет отклонение от кривошипа 13 поршня 11 против направления вращения на угол α^°, равный 180^°-α°1

, где α°1 равен половине расчетной угловой фазы нагнетания Ф_н, которая определяет начало и конец открытия впускных окон 5 золотниковой камеры нагнетания 4 и является функцией величины внутренней степени сжатия ε, полного объема цилиндра V_ц и объема его мертвого пространства V_м.

На фиг. 1 показан вариант ПК, у которого на стороне нагнетания рабочего цилиндра 1 вместо самодействующего нагнетательного клапана к выпускным окнам 3 подключен нагнетательный клапан с принудительным приводом, выполненный в виде золотниковой камеры нагнетания 4, а на стороне всасывания к впускным окнам 2 цилиндра подключен самодействующий всасывающий клапан 17. При таком варианте ПК замена самодействующего нагнетательного клапана на принудительный в виде золотниковой камеры нагнетания 4 позволяет повысить надежность ПК, т.к. золотниковая камера нагнетания не требует профилактического ремонта и не боится нагара. В результате можно поднять степень сжатия в цилиндре ПК и повысить его скорость вращения.

С целью полного отказа от самодействующих как нагнетательных, так и всасывающих клапанов, сдерживающих из-за частых поломок повышение скорости вращения ПК, на фиг. 3 приведен вариант ПК, у которого на стороне всасывания к впускному окну 2 подключена золотниковая камера всасывания 18, имеющая впускные 19 и выпускные окна 20, а последние с помощью канала 21 соединены с впускными окнами 2 рабочего цилиндра 1. В золотниковой камере всасывания также размещен золотник 22, имеющий свой кривошип 23, который по углу поворота синхронно связан с кривошипно-шатунным механизмом поршня и имеет отклонение от кривошипа 13 поршня в направлении вращения на угол α°2

, равный 180^°-α°3-α°4, где α°3 равен угловой фазе расширения газа Ф_р из мертвого пространства цилиндра, α°4 равен половине угловой фазы всасывания Ф_вс, определяющей начало и конец открытия выпускных окон 20 золотниковой камеры всасывания 18, которые имеют нижнюю 24 и верхнюю 25 громки, а нижняя кромка 24 выпускных окон 20 размещена над торцевой кромкой 26 золотника 22 при его положении в нижней мертвой точке.

Расстояние между верхней 25 и нижней кромкой 24 окон 20 h_вс определяет высоту выпускных окон 20 и является расчетной величиной, определяющей угловую величину фазы всасывания Ф_вс, которая является функцией заданной внутренней степени сжатия ε, полного объема рабочего цилиндра V_ц и объема его мертвого пространства V_м.

На фиг. 2 показаны фазы рабочего цикла и золотниковой камеры нагнетания при варианте ПК, показанному на фиг. 1. Всасывающий клапан 17 включается в работу только после окончания расширения газа из мертвого пространства. Потому впускные окна 2 рабочего цилиндра размещены на участке цилиндра в осевом направлении так, что их верхняя кромка 27 находится на уровне или вблизи от торцевой кромки 28 поршня 11 рабочего цилиндра 1 при его положении в точке окончания расширения газа из объема мертвого пространства до величины давления всасывания.

Соответственно, чем будет больше объем мертвого пространства цилиндра V_ц и внутренняя степень сжатия ε, тем ближе должны быть расположены впускные окна 2 рабочего цилиндра 1 к нижней мертвой точке поршня 11.

Такое размещение впускных окон цилиндра позволяет уменьшить вредное влияние объема мертвого пространства всасывающих клапанов любой конструкции на производительность и экономичность ПК, т.к. в этом случае заполнение объема мертвого пространства всасывающих клапанов будет происходить до момента перекрытия впускных окон 2 поршнем 11, т.е. при меньшем давлении. Соответственно при обратном ходе поршня вниз будет уменьшена величина расширенного объема всасывающих клапанов и будет увеличен коэффициент наполнения цилиндра.

При разработке ПК такой конструкции предварительному определению путем расчетов при заданных ε, V_ц и V_м подлежат угловая величина фазы нагнетания Ф_н и угловая величина фазы расширения из мертвого пространства цилиндра Ф_р.

Для определения этих величин предлагается вывод соответствующих формул на основании уже известных (1 с.52).

Исходной формулой для определения величины фазы расширения при политропном расширении может быть принята:

или

где V_h-V_вс= ΔV_м,
ΔV_м= ε^1/m·V_м-V_м;
S_p·F = ε^1/mV_м-V_м,
где F - площадь поршня, а S_р - ход поршня от ВМТ до окончания расширения газа из мертвого пространства.

Отсюда Зная S_р, графически с использованием диаграммы б) на фиг. 2 и 4 находим Ф_р.

Исходной формулой для нахождения фазы нагнетания Ф_н может быть использована формула с аналогичным смыслом

тогда


и

где F - площадь поршня.

Зная S_н, графически с использованием диаграммы б) на фиг. 2 и 4 находим Ф_н.

Т. к. длина кривошипа, а соответственно, и ход золотников и поршня могут быть различными, на фиг. 2 и 4 приведены отдельные диаграммы движения для золотников и поршня, у которых фазы нагнетания и расширения независимо от длины кривошипов будут равны.

Зная величину Ф_н, по диаграмме а) на фиг. 2 графически находим высоту h_н впускных окон 5 золотниковой камеры нагнетания 4.

Зная величину Ф_р, по диаграмме в) и г) на фиг. 4 графически находим высоту h_вс выпускных окон 20 золотниковой камеры всасывания 18. Приведенные расчеты для определения высоты окон h_н и h_вс позволяют обеспечить своевременное открытие и закрытие окон в соответствии с действительным процессом рабочего цикла, изображенном на индикаторной диаграмме фиг. 8 в координатах P-V, на которой приняты следующие обозначения:
ВМТ - верхняя мертвая точка;
НМТ - нижняя мертвая точка;
P - давление в цилиндре;
V - объем;
P_н - давление нагнетания;
P_а - атмосферное давление;
V_ц - полный объем цилиндра;
V_h - объем, описываемый поршнем;
V_вс - объем, поступающий в цилиндр по условиям всасывания;
V_сж - объем сжимаемый в цилиндре;
V_н - объем, выпускаемый из цилиндра по условиям нагнетания;
V_м - суммарный объем мертвого пространства;
ΔV_м - величина прироста объема при его расширении из мертвого пространства;
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;
4 - точка окончания расширения объема суммарного мертвого пространств до давления всасывания.

На фиг. 8 изображены три индикаторные диаграммы. Диаграмма, очерченная сплошной линией, является расчетной при работе ПК при заданном значении P_н и ε и имеет характерные переходные точки рабочего процесса 1 - 2 - 3 - 4.

Диаграмма, очерченная пунктиром, будет соответствовать рабочему процессу при работе ПК выше расчетных значений P_н и ε. Характерные переходные точки рабочего процесса обозначены со знаком один штрих.

Диаграмма, очерченная точками, будет соответствовать рабочему процессу при работе ПК ниже расчетных значений P_н и ε. Характерные переходные точки рабочего процесса обозначены двумя штрихами.

Заштрихованные участки индикаторной диаграммы выше и ниже расчетного давления нагнетания P_н отражают потерянную энергию при сжатии, что показывает, что самым экономичным является расчетный режим работы ПК, когда расчетное давление нагнетания P_н совпадает с величиной давления в сети сжатого газа. Эта особенность работы ПК совпадает с условиями работы винтовых и роторных компрессоров, которые также имеют внутреннее сжатие и расчетные величины P_н и ε.
Принцип работы ПК, изображенного на фиг. 1 и 2, заключается в следующем. При закрытых окнах 2 и 3 цилиндра 1 поршень 11 из НМТ, соответствующей точке 1 на индикаторной диаграмме, начинает двигаться к ВМТ и происходит начало фазы сжатия Ф_сж.

В момент окончания фазы Ф_сж начинается открытие впускных окон 5 золотниковой камеры нагнетания 4, что соответствует точке 2 на индикаторной диаграмме. Когда поршень 11 подходит к ВМТ в точке 3 на индикаторной диаграмме, впускные окна 5 золотниковой камеры нагнетания закрываются. Поршень из ВМТ идет вниз и происходит начало фазы расширения Ф_р газа из объема мертвого пространства. Когда в точке 4 на индикаторной диаграмме заканчивается фаза Ф_р, открывается всасывающий клапан 17 и начинается фаза всасывания Ф_вс. В НМТ всасывающий клапан закрывается и процесс повторяется.

Стадии работы ПК, изображенного на фиг. 3 и 4, такие же, что и у ПК, изображенного на фиг. 1 и 2 до момента окончания расширения газа из мертвого пространства, т.е. окончания фазы расширения в точке 4 на индикаторной диаграмме. Отличие заключается в том, что в момент окончания расширения в точке 4 начинается открытие выпускных окон 20 золотниковой камеры всасывания 18. В момент окончания фазы всасывания Ф_вс окна 20 золотниковой камеры всасывания 18 закрываются и далее стадии рабочего процесса ПК повторяются.

Конструктивно ПК может иметь варианты:
На фиг. 5 показан вариант, когда золотниковая камера нагнетания и рабочий цилиндр 1 смещены по отношению друг к другу в осевом направлении до сближения осей смежных окон. В этом случае отпадает необходимость в соединяющем их канале 7. То есть уменьшается мертвое пространство V_м цилиндра ПК.

На фиг. 6 показан вариант, когда к одной золотниковой камере подключено два (несколько) рабочих цилиндра.

На фиг. 7 показан вариант, когда ПК выполнен многорядным с расположением одноименных цилиндров и золотниковых камер один над другим, а поршни и золотники предыдущего ряда связаны токами с поршнями и золотниками последующего ряда. В этом варианте также показано, что во втором ряду рабочий цилиндр и золотниковая камера могут быть выполнены двухстороннего действия. При этом золотник во втором ряду выполнен в виде стакана с сквозными отверстиями.

Двухрядное выполнение ПК, изображенное на фиг. 7, позволяет компактно конструировать ПК с двухступенчатым сжатием, когда во втором ряду рабочий цилиндр двухстороннего действия обеспечивает первую ступень сжатия, а первый ряд с цилиндром одностороннего действия обеспечивает вторую ступень сжатия.

Предложенная конструкция ПК с внутренним сжатием имеет значительные преимущества перед известными типами компрессоров - поршневыми с самодействующими клапанами, винтовыми, роторно-пластинчатыми, центробежными, осевыми и другими по следующим причинам;
По сравнению с известными ПК
1. Отсутствуют самодействующие клапаны, что удешевляет ПК, упрощает ремонт и обслуживание.

2. ПК может сжимать грязные газы, т.к. не забивается проходное сечение клапанов и нет опасности поломки пластин из-за попадания в клапаны твердых частиц.

3. ПК может иметь скорость вращения на порядок выше, чем существующие ПК с самодействующими клапанами. В результате по габаритам и по массе он может конкурировать с центробежными и винтовыми компрессорами.

4. Отсутствие самодействующих клапанов снижает уровень шума работы ПК.

По сравнению с винтовыми компрессорами.

1. Практически отсутствуют зазоры, пропускающие обратный ход газа, а значит ПК имеет больший КПД.

2. Не требуется добиваться снижения перетечек газа через зазоры за счет использования масляного тумана или увеличения оборотов.

3. При большей экономичности он может работать без смазки цилиндропоршневой группы, обеспечивая чистый газ.

4. Не требуется отделение масла из сжатого газа, что снижает его расход и упрощает обслуживание.

5. ПК не требует специальной технологии изготовления для обеспечения точности сопряжения рабочих узлов.

6. Резко снижен уровень шума.

7. Обеспечивается больший диапазон использования по производительности и давлению.

8. Поддается более экономичному регулированию производительности.

9. Проще в ремонте и обслуживании снижается стоимость запчастей.

По сравнению с центробежными компрессорами
1. Больший диапазон использования по производительности и давлению.

2. Резко снижен уровень шума:
3. Допускает частые пуск и остановку.

4. Поддается более экономичному регулированию производительности.

5. Из-за отсутствия обратных перетечек газа через зазоры имеет большую экономичность.

6. Отсутствует дорогостоящий редуктор для увеличения скорости вращения турбины.

7. Отсутствуют неустойчивые режимы работы типа помпажа.

8. Не требуется высококвалифицированный ремонт и обслуживание.

Источник информации
1. Михайлов А.К., Ворошилов В.П., Компрессорные машины, Учебник для вузов, Москва, Энергоатомиздат, 1989.

Компрессор может быть использован для сжатия газообразной среды любой степени очистки. В качестве нагнетательных клапанов в компрессоре использована золотниковая камера нагнетания с впускными окнами. Впускные окна соединены каналом с выпускными окнами рабочего цилиндра и перекрываются золотником. Золотник имеет свой кривошип, связанный синхронно с кривошипно-шатунным механизмом поршня. Кривошип золотника имеет отклонение от кривошипно-шатунного механизма против направления вращения на угол, рассчитываемый определенным образом. Золотниковые камеры нагнетания размещены над торцевой кромкой золотника при его положении в нижней мертвой точке. В качестве всасывающих клапанов используется золотниковая камера всасывания с выпускными окнами. Выпускные окна соединены с выпускными окнами рабочего цилиндра и перекрываются золотником. Золотник также связан с кривошипно-шатунным механизмом поршня через свой кривошип. Кривошип золотника имеет отклонение от кривошипно-шатунного механизма поршня в направлении вращения на определенным образом рассчитываемый угол. Золотниковые камеры всасывания размещены над торцевой кромкой золотника при его положении в нижней мертвой точке. Такое выполнение повышает надежность, упрощает обслуживание, уменьшает стоимость и увеличивает производительность компрессора. 7 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Поршневой компрессор, содержащий рабочий цилиндр с впускными и выпускными окнами, нагнетательный клапан и поршень цилиндра, связанный с кривошипно-шатунным механизмом, отличающийся тем, что нагнетательный клапан выполнен принудительным в виде золотниковой камеры нагнетания с впускным окном, которое соединено каналом с выпускным окном рабочего цилиндра и перекрывается золотником, имеющим свой кривошип, который по углу поворота синхронно связан с кривошипно-шатунным механизмом поршня и имеет отклонение от кривошипа поршня против направления вращения на угол α^°, равный 180^°-α°1

, где α°1 равен половине расчетной угловой фазы нагнетания, определяющей начало и конец открытия впускных окон золотниковой камеры нагнетания, которые размещены над торцевой кромкой золотника при его положении в нижней мертвой точке, па угловая фаза нагнетания является функцией величины внутренней степени сжатия, объема цилиндра и объема его мертвого пространства. 2. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что впускные окна рабочего цилиндра размещены на участке цилиндра в осевом направлении так, что их верхняя кромка находится на уровне или вблизи от торцевой кромки поршня рабочего цилиндра при его положении в точке окончания расширения газа из объема мертвого пространства до величины давления всасывания, и соединены или с самодействующим всасывающим клапаном, или с принудительным всасывающим клапаном, который выполнен в виде золотниковой камеры всасывания с выпускным окном, которое соединено с впускным окном рабочего цилиндра и перекрывается золотником, имеющим свой кривошип, который по углу поворота синхронно связан с кривошипно-шатунным механизмом поршня и имеет отклонения от кривошипа поршня в направлении вращения на угол α°2 , равный 180^°-α°3 -α°4 , где α°3 равен угловой фазе расширения газа из объема мертвого пространства, а α°4 равен половине угловой фазы всасывания, определяющей начало и конец открытия выпускных окон золотниковой камеры всасывания, которые размещены над торцевой кромкой золотника при его положении в нижней мертвой точке, а угловая фаза всасывания является функцией величины внутренней степени сжатия, объема цилиндра и объема его мертвого пространства. 3. Компрессор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что золотниковая камера и рабочий цилиндр смещены по отношению к друг к другу в осевом направлении до сближения осей из впускных и выпускных окон. 4. Компрессор по пп.1 - 3, отличающийся тем, что к одной золотниковой камере подключено несколько рабочих цилиндров. 5. Компрессор по пп.1 - 4, отличающийся тем, что он выполнен многорядным с расположением одноименных цилиндров и золотниковых камер один за другим, а поршни и золотники предыдущего ряда связаны штоками с поршнями и золотниками последующего ряда. 6. Компрессор по пп.1 - 5, отличающийся тем, что золотниковая камера выполнена в виде цилиндра, а золотник выполнен в виде цилиндрического полого стакана. 7. Компрессор по пп.1 - 6, отличающийся тем, что рабочий цилиндр и золотниковые камеры выполнены двухстороннего действия. 8. Компрессор по пп. 1 - 7, отличающийся тем, что при двухступенчатом сжатии он выполнен двухрядным, при котором второй ряд выполнен с рабочим цилиндром и золотниковой камерой двухстороннего действия, а первый ряд выполнен с рабочим цилиндром и золотниковой камерой одностороннего действия.