ПОРШНЕВОЕ КОЛЬЦО И ПОРШНЕВОЙ КОМПРЕССОР С СУХИМ ХОДОМ Российский патент 2001 года по МПК F16J9/20 

Изобретение относится к компрессоростроению и может быть использовано в компрессорах с сухим ходом.

Для сжатия текучих сред, таких как газы или пары, используют поршневые компрессоры с сухим ходом, имеющие уплотнительные кольца из пластика, такого, например, как политетрафторэтилен, которые применяются на поршне в качестве уплотнительных элементов. Недостатком подобных уплотнительных элементов является то, что в процессе работы они сильно изнашиваются и это приводит к снижению срока службы устройства. В том, что уплотнительные элементы не обеспечивают полной эффективности работы в течение необходимого периода времени, существенную роль, в особенности, играют свободные зоны в поперечных сечениях в зазорах в осевом и радиальном направлении, которые возникают из-за зазоров колец и износа уплотнительных элементов. Требуется уплотнительный элемент с хорошим эффектом уплотнения, который не будет изнашиваться в течение продолжительного периода времени, и это, в особенности, необходимо при сжатии очень легких газов, таких как водород.

Известно поршневое кольцо для поршневого компрессора с сухим ходом, состоящее из первого и второго колец с кольцевыми зазорами, причем кольца расположены концентрично друг относительно друга по отношению к оси C, при этом первое кольцо имеет L-образное поперечное сечение с первой частью, проходящей в направлении оси C, и второй частью, проходящей радиально наружу по отношению к оси C, каждая из двух частей имеет внутреннюю поверхность, второе кольцо выполнено таким образом, что его поверхности, обращенные к первому кольцу, находятся в контакте с внутренними поверхностями первого кольца, соответствуя им по форме, причем кольца выполнены из пластика, модифицированного для сухого хода твердым смазочным материалом (патент США N 4185842 кл. F 16 J 9/02, опубл. 1980).

В этом же источнике описан поршневой компрессор с сухим ходом, для которого предназначено кольцо.

Однако в известной конструкции не обеспечивается равномерный износ скользящих поверхностей в поршневом кольце.

Задачей настоящего изобретения является создание экономически более предпочтительного, в частности, малоизнашиваемого поршневого кольца для поршневого компрессора с сухим ходом, в особенности предназначенного для сжатия очень легких газов.

Поставленная задача достигается тем, что в поршневом кольце для поршневого компрессора с сухим ходом, состоящем из первого и второго колец с кольцевыми зазорами, причем кольца расположены концентрично друг относительно друга по отношению к оси C, при этом первое кольцо имеет L-образное поперечное сечение с первой частью, проходящей в направлении оси C, и второй частью, проходящей радиально наружу по отношению к оси C, каждая из двух частей имеет внутреннюю поверхность, второе кольцо выполнено таким образом, что его поверхности, обращенные к первому кольцу, находятся в контакте с внутренними поверхностями первого кольца, соответствуя им по форме, кольца выполнены из пластика, модифицированного для сухого хода твердым смазочным материалом, при этом вторая часть первого кольца, проходящая радиально наружу по отношению к оси C, имеет внутреннюю поверхность, которая наклонена в радиальном направлении по отношению к оси C, при этом угол наклона меньше 90^o.

Второе кольцо имеет часть, вступающую в радиальном направлении в сторону оси C, при этом часть входит в зазор первого кольца для предотвращения взаимного поворота колец друг относительно друга.

Первое кольцо расположено в поршне в направлении стороны нагнетания.

Внутренняя поверхность второй части первого кольца может быть выполнена криволинейной и имеет касательную, проходящую в радиальном направлении, которая пересекает ось C под острым углом.

Внутренняя поверхность второй части первого кольца выполнена конической формы.

Поршневое кольцо, выполненное вышеописанным образом, может быть использовано в поршневом компрессоре с сухим ходом.

В поршневых компрессорах с сухим ходом отсутствует смазочный материал, служащий для смазки поршневых колец поршня и для дополнительного его уплотнения. Следовательно, для такого случая непригодны металлические поршневые кольца. Работа фрикционных пар сухого хода осуществляется за счет наличия твердых смазочных материалов, которые содержатся в одном из элементов фрикционной пары. Поршневое кольцо в соответствии с изобретением выполнено из пластика, специально модифицированного для сухого хода твердыми смазочными материалами, такими как политетрафторэтилен, графит или дисульфид молибдена.

При сжатии очень легких газов, таких как водород, до очень высоких давлений прежде всего требуются уплотнительные элементы, обладающие очень высокой способностью уплотнения, чтобы сделать утечки как можно меньшими. Хороший эффект уплотнения может быть достигнут, например, путем объединения двух уплотнительных колец в двойное кольцо таким образом, чтобы не возникали никакие зазоры или пространства, создающие возможность сквозного прохода.

Самосмазывание фрикционных уплотнений сухого хода приводит к тому, что поршневые кольца, которые выделяют смазочный материал, постепенно истираются. Недостатком известных двойных колец из пластика является то, что две кольцевые детали могут смещаться друг относительно друга в радиальном направлении. Поскольку эпюра давления в уплотняющих поверхностях двух кольцевых поверхностей рядом со стенкой цилиндра не является постоянной, возможность смещения в радиальном направлении создает возможность более быстрого износа одной из двух кольцевых деталей по сравнению с другой. Результатом этого неравномерного износа является то, что две кольцевые детали полностью не перекрывают друг друга, а из-за этого возникают зазоры, через которые проходят большие утечки газа, в особенности очень легких газов, находящихся под высоким давлением, что приводит к значительному уменьшению количества газа, перемещаемого поршневым компрессором с сухим ходом. Поршневое кольцо в соответствии с изобретением особенно пригодно для сжатия очень легких газов в компрессоре с сухим ходом до высокого конечного давления сжатия. Преимуществом поршневого кольца является то, что благодаря конструкции двух кольцевых деталей или двух кольцеобразных тел, их наклону друг относительно друга и соединению двух кольцевых деталей друг с другом за счет соответствия по форме в процессе работы обеспечивается равномерное, соразмерное изнашивание двух кольцевых деталей. Две кольцевые детали прижимаются друг к другу за счет давления текучей среды, подлежащей сжатию, при этом не происходит никакого относительного смещения или происходит только незначительное смещение деталей друг относительно друга благодаря тому, что две кольцевые детали соединены друг с другом за счет соответствия по форме, так что уплотнительные вспомогательные поверхности двух кольцевых деталей, которые, например, обращены к стенке цилиндра, подвергаются равномерному абразивному износу. Таким образом, не может возникнуть никаких утечек или могут возникать только небольшие локальные зоны утечки, благодаря чему эффект уплотнения, создаваемый поршневым кольцом, остается приблизительно постоянным в течение более длительного периода работ поршневых компрессоров с сухим ходом.

Изобретение поясняется чертежом, где показано:
на фиг. 1 - продольное сечение поршня с цилиндром;
на фиг. 2а - поперечное сечение второго кольца;
на фиг. 2b - поперечное сечение первого кольца;
на фиг. 3а - вид сверху второго кольца;
на фиг. 3b - вид сверху первого кольца;
на фиг. 4 - поршневое кольцо, расположенное в неразъемном поршне;
на фиг. 5 - два поршневых кольца, расположенные в сборном поршне;
на фиг. 6а - поперечное сечение варианта выполнения второго кольца;
на фиг. 6b - поперечное сечение варианта выполнения первого кольца;
на фиг. 7а - вид сверху второго кольца;
на фиг. 7b - вид сверху первого кольца.

На фиг. 1 показано продольное сечение поршневого компрессора с сухим ходом, снабженного цилиндром 1, в котором поршень 2 установлен с возможностью перемещения вверх и вниз. Нижний конец поршня 2 переходит в поршневой шток 3, который известным образом присоединен к кривошипно-шатунному приводу (не показан). Над поршнем 2 находится камера 4 сжатия, в которую газ, подлежащий сжатию, всасывается во время хода поршня 2 вниз известным образом (не показано). Этот газ сжимается во время последующего хода вверх и вытесняется из камеры сжатия. Поршень 2 имеет стержнеобразное удлинение 5 поршневого штока 3, на котором установлена гильза, несущая семь поршневых колец 10, расположенных одно над другим. При сборном поршне 2 отдельные детали поршня 2, а также поршневые кольца 10 удерживаются вместе с помощью гайки 7, навинченной на верхний конец удлинения 5. На чертеже показана центральная ось C поршня 2. Две зоны A показаны в увеличенном масштабе на фиг. 5. Сборный поршень собран из отдельных деталей и содержит гильзу 6, проходящую в осевом направлении, опоры 8a, 8b, расположенные вокруг гильзы 6, а также поршневые кольца 10, установленные в канавках. Каждое из поршневых колец 10 состоит из первого кольца 10a и второго кольца 10b. Два кольца 10a, 10b выполнены так, что они подогнаны друг к другу по форме, и контактирующие друг с другом поверхности сопрягаются друг с другом с соответствием по форме. Каждое из колец 10a, 10b имеет поверхности 10c, 10d, обращенные к стенке цилиндра 1, которые несколько смещаются вверх и вниз вдоль стенки цилиндра в процессе работы поршня 2.

На фиг. 4 показана зона A цельного поршня 2 с опорой 8 и поршневым кольцом 10, состоящим из двух колец 10a, 10b, установленных в канавке. Первое кольцо 10a расположено в цилиндре 1 в направлении стороны нагнетания, при этом давление 9 газа создает усилия, действующие на первое кольцо 10a как в осевом направлении 9a, так и в радиальном направлении 9b, так что все поршневое кольцо 10, во-первых, прижимается к внутренней стенке цилиндра 1, а во-вторых, прижимается в осевом направлении к граничной поверхности канавки, удаленной от стороны нагнетания. Таким образом, в процессе работы уплотняющее действие поршневого кольца усиливается и два кольца 10a, 10b удерживаются в канавке и сопрягаются друг с другом за счет соответствия по форме без какого-либо относительного смещения или только с небольшим относительным смещением. В результате подобного соединения колец друг с другом за счет соответствия по форме вспомогательные поверхности 10c, 10d двух колец 10a, 10b, которые выполнены с возможностью скольжения вдоль стенки 1a цилиндра и трения о нее, равномерного истирания, так что не возникает никаких локальных зон утечки, и два кольца 10a, 10b образуют контакт со стенкой 1a цилиндра с одинаковым эффектом в течение более длительного периода работы.

Поршневое кольцо 10, изображенное на фиг. 4 и 5 и содержащее кольца 10a, 10b, подробно показано на фиг. 3a, 3b - вид сверху, а на фиг. 2a, 2b - в поперечном сечении. Два кольца 10a, 10b проходят концентрично по отношению к центральной оси C. На фиг. 3b показано первое кольцо 10a поршневого кольца 10, которое имеет L-образное поперечное сечение и с зазором кольца или соединением встык 10e. Это кольцо имеет две части 10, 10h, причем первая часть 10h проходит в направлении (параллельно) оси С, а вторая часть 10q проходит радиально наружу по отношению к оси C. Ширина зазора 10e кольца такова, что первое кольцо 10a имеет возможность некоторого упругого смещения в периферийном направлении.

На фиг. 2b показано поперечное сечение первого кольца 10a вдоль линии А-А. Первое кольцо 10a, выполненное с L-образным поперечным сечением, имеет первую часть 10h, проходящую параллельно оси C, которая имеет наружную поверхность 10o, а также внутреннюю поверхность 10n. Вторая часть 10q, проходящая радиально относительно оси C, имеет наружную поверхность 10p, проходящую перпендикулярно оси C. Внутренняя поверхность 10l выполнена конической и образует в радиальном направлении угол α по отношению к нормали к оси C. В данном варианте осуществления вторая часть 10q выполнена таким образом, что в зоне оси C она выполнена сравнительно узкой рядом с первой частью 10h и расширяется в направлении периферии, то есть к поверхности 10d. Форма поперечного сечения второго кольца 10b, которое показано на фиг. 2a, выполнена в соответствии с формой двух внутренних поверхностей 10b, 10n. Кольцевое тело 10i имеет четыре поверхности: поверхность 10c, обращенную к стенке цилиндра, поверхность 10q, обращенную к опоре 8, а также две поверхности 10m, 10k, обращенные к первому кольцу 10a. Две названные последними поверхности 10m, 10k выполнены таким образом, что при установке 10a, 10b одно внутри другого поверхности 10m, 10k сопрягаются с двумя внутренними поверхностями 10l, 10n за счет соответствия их друг другу по форме. Следовательно, поверхность 10k аналогичным образом выполнена конической так, чтобы она проходила радиально по отношению к оси C под углом наклона α.

На фиг. 3a показан вид сверху второго кольцеобразного тела 10b с зазором кольца или соединением встык 10f, и это тело в дальнейшем называется вторым кольцом 10b. Кольцеобразное тело 10i имеет кольцевой зазор 10f с одной стороны и выступ 10k, выступающий в направлении оси C со стороны, противоположной данному зазору 10f кольца. В собранном поршневом кольце 10 второе кольцо 10b установлено над первым кольцом 10a, сохраняя положение, показанное на фиг. 3a, 3b, так что выступ 10k входит в зазор 10e первого кольца 10a. За счет этого второе кольцо 10b фиксируется относительно первого кольца 10a от взаимного поворота, поскольку выступ 10k и часть 10h ограничивают смещение колец друг относительно друга. Выступ 10k предпочтительно выполнен более узким в периферийном направлении по сравнению с шириной зазора 10e кольца, так что первое кольцо 10a сохраняет некоторую подвижность в периферийном направлении в зоне зазора 10e кольца.

На фиг. 7a, 7b показан дополнительный, приведенный в качестве примера вариант выполнения колец 10a, 10b с взаимной фиксацией от поворота друг относительно друга. На стороне части 10q первого кольца 10a, расположенной напротив зазора 10e кольца, находится цилиндрический фиксирующий штифт 10г, который проходит в вертикальном направлении. При сборке поршневого кольца 10 второе кольцо 10b накладывают на первое кольцо 10a, сохраняя положение, показанное на фиг. 7a, 7b, так что фиксирующий штифт 10г входит в зазор 10f второго кольца 10b, тем самым второе кольцо 10b фиксируется относительно первого кольца 10a от взаимного поворота. В собранном состоянии кольца 10a, 10b могут быть вставлены в канавку неразъемного поршня 2 путем одновременного раздвигания в стороны двух кольцевых деталей, как показано на фиг. 4, или могут быть вставлены в сборный поршень 2 без раздвигания в стороны, как показано на фиг. 5.

Преимущество поршневого кольца 10 в соответствии с изобретением можно увидеть в том, что поверхности 10l, 10n, 10k, 10m двух колец 10a, 10b остаются в контакте друг с другом, сопрягаясь друг с другом за счет соответствия по форме в течение продолжительных периодов времени, даже в процессе работы поршневого кольца 10. Два кольца 10a, 10b выполнены таким образом, что непосредственное воздействие газа 9 под давлением на поверхности 10l, 10n, 10k, 10m предотвращается, насколько это можно. Давление 9 газа, действующее на кольца 10a, 10b, обычно действует в зазоре 10f кольца и создает усилие, действующее в периферийном направлении первого кольца 10a, которое при угле α = 0 может привести к отрыву первого кольца 10a от второго кольца 10b, так что давление газа будет действовать непосредственно на вспомогательные поверхности 10l, 10n, 10k, 10m. Подобное непосредственное воздействие давления газа на поверхности 10m, 10k второго кольца 10b приведет к сравнительно быстрому износу второго кольца 10b. Чтобы избежать этого, кольцо в соответствии с изобретением выполнено таким образом, что отрыв второго кольца 10b от первого кольца 10a предотвращается. Как показано на фиг. 4, поршневое кольцо 10 прижимается в осевом направлении к опоре 8 под действием газа 9a и прижимается в радиальном направлении к стенке цилиндра 1 под действием газа 9b. Первое кольцо 10a, находящееся под действием этого давления, создает соответствующие усилия, действующие на второе кольцо 10b. Благодаря конической форме поверхностей 10l, 10k силы, создаваемые за счет давления газа, вызывают повышенную степень заклинивания двух колец 10a, 10b друг относительно друга, так что поверхности 10k, 10l, 10n, 10m прижимаются друг к другу более сильно. Тем самым предотвращается непосредственное воздействие газа на поверхности 10k, 10l, 10n, 10m, что приводит к меньшему износу первого кольца 10a и равномерному износу двух колец 10a, 10b, в частности поверхностей 10c, 10d, и, таким образом, к более продолжительному сроку службы поршневого кольца 10.

Существует большое количество возможных конструктивных вариантов выполнения поверхностей 10k, 10l, 10n, 10m таким образом, чтобы между кольцами 10a, 10b происходило взаимное заклинивание при установке их вместе и нагружении их давлением газа, при этом поверхности 10k, 10l, 10n, 10m, находящиеся во взаимном контакте друг с другом, дополнительно прижимаются друг к другу. На фиг. 6a, 6b показаны поперечное сечение первого кольца 10a, а также поперечное сечение кольца 10b в дополнительном, приведенном в качестве примера варианте осуществления. В данном случае две поверхности 10m, 10n выполнены таким образом, что они проходят параллельно оси C. Следующие поверхности 10l, 10k выполнены так, что они проходят криволинейно таким образом, что сопрягаются друг с другом с соответствием по форме в собранном поршневом кольце 10.

Внутренняя поверхность 10l, 10k имеет наклон в направлении, проходящем радиально относительно оси C, при этом угол между касательной к внутренней поверхности 10l, 10k и осью C доходит примерно до 90^o в зоне поверхности 10d и становится все более острым в направлении части 10h, то есть принимает значение угла, который становится меньше 90^o.

Кольца 10a, 10b выполнены из пластика, в частности из такого пластика, как политетрафторэтилен, модифицированный высокотемпературный полимер, такой как полиэфирэфиркетон, полиэфиркетон, полиимид, полифениленсульфид, полибензимидазол, полиамидимид или модифицированная эпоксидная смола. Высокотемпературные полимеры представляют собой пластики, которые не способны к сухому ходу в чистом виде, так что вышеупомянутые пластики обычно наполняют дополнительными твердыми смазочными материалами, например, такими, как углерод, графит, дисульфид молибдена или политетрафторэтилен.

Изобретение относится к компрессоростроению и может быть использовано в компрессорах с сухим ходом. Кольцо состоит из первого и второго колец с кольцевыми зазорами, причем кольца расположены концентрично друг относительно друга по отношению к оси С, при этом первое кольцо имеет L-образное поперечное сечение с первой частью, проходящей в направлении оси С, и второй частью, проходящей радиально наружу по отношению к оси С. Второе кольцо выполнено таким образом, что его поверхности, обращенные к первому кольцу, находятся в контакте с внутренними поверхностями первого кольца, соответствуя им по форме. Внутренняя поверхность второй части первого кольца наклонена в радиальном направлении по отношению к оси С. Кольцо выполнены из пластика, модифицированного твердым смазочным материалом. Такое выполнение позволит обеспечить равномерный износ поверхностей колец. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Поршневое кольцо для поршневого компрессора с сухим ходом, состоящее из первого и второго кольца с кольцевыми зазорами, причем кольца расположены концентрично друг относительно друга по отношению к оси С, при этом первое кольцо имеет L-образное поперечное сечение с первой частью, проходящей в направлении оси С, и второй частью, проходящей радиально наружу по отношению к оси С, каждая из двух частей имеет внутреннюю поверхность, второе кольцо выполнено таким образом, что его поверхности, обращенные к первому кольцу, находятся в контакте с внутренними поверхностями первого кольца, соответствуя им по форме, причем кольца выполнены из пластика, модифицированного для сухого хода твердым смазочным материалом, отличающееся тем, что вторая часть, проходящая радиально наружу по отношению к оси С, имеет внутреннюю поверхность, которая наклонена в радиальном направлении по отношению к оси С, при этом угол наклона меньше 90^o. 2. Поршневое кольцо по п.1, отличающееся тем, что второе кольцо имеет часть, выступающую в радиальном направлении в сторону оси С, при этом часть входит в зазор первого кольца для предотвращения взаимного поворота колец друг относительно друга. 3. Поршневое кольцо по п.1 или 2, отличающееся тем, что первое кольцо расположено в поршне в направлении стороны нагнетания. 4. Поршневое кольцо по п.1, отличающееся тем, что внутренняя поверхность второй части первого кольца выполнена криволинейной и имеет касательную, проходящую в радиальном направлении, которая пересекает ось С под острым углом. 5. Поршневое кольцо по п.1, отличающееся тем, что внутренняя поверхность второй части первого кольца выполнена конической формы. 6. Поршневой компрессор с сухим ходом, содержащий поршневое кольцо, отличающийся тем, что поршневое кольцо выполнено по любому из пп.1-5.