ПОРШНЕВАЯ МАШИНА ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ (ПЕРЕКАЧКИ) ГАЗООБРАЗНЫХ И ЖИДКИХ АГЕНТОВ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2003 года по МПК F01B3/04 

Изобретение относится к области машиностроения и, в частности, к насосо- и компрессоростроению и может быть использовано в качестве насоса или компрессора для создания избыточного давления рабочего тела и транспортировки (перекачки) газов, жидкостей, смесей, взвесей, суспензий и других агентов в различных отраслях промышленности и хозяйства.

Известны конструкции поршневых насосов и компрессоров, содержащих кривошипно-шатунный механизм преобразования вращательного движения вала в возвратно-поступательное движение поршня (поршней). Такие компрессоры содержат корпус, цилиндры, клапанные головки, коленчатый вал, состоящий из кривошипов, шатуны, поршни. Преобразование вращательного движения коленчатого вала в возвратно-поступательное движение поршня относительно оси цилиндра происходит в таких компрессорах при помощи кривошипа коленчатого вала и шатуна.

Известен поршневой компрессор по патенту СССР SU 1557355 А2, МПК 5 F 04 В 25/00. Этот поршневой компрессор содержит цилиндр, расположенный в нем шток с поршнем, имеющим бесконтактное уплотнение; на штоке свободно установлена втулка, имеющая по окружности по крайней мере два ряда отверстий, в которых размещены шарики. Втулка снабжена время равномерно расположенными на наружной поверхности продольными ребрами с пазами, направляющими с канавками и дополнительными шариками, при этом направляющие установлены в пазах и подпружинены относительно втулки, а дополнительные шарики - в канавках и поджаты направляющими к цилиндру. Канавки направляющих разделены на участки, в каждом из которых расположено по одному дополнительному шарику. Направляющие подпружинены пружинами. Такая конструкция позволяет исключить трение скольжения поршня о цилиндр.

Основными недостатками такого поршневого компрессора являются следующие:
- большое количество деталей и, как следствие, высокие техническая, конструктивная и технологическая сложность, а также стоимость изготовления механизма;
- возможность проскальзывания шариков относительно поверхностей поршня и цилиндра и возникновение в результате этого значительных сил трения скольжения в механизме;
- высокие механические и, в том числе контактные, напряжения ввиду малой площади контакта взаимодействующих деталей в сочленении "поршень - цилиндр";
- интенсивный износ и ограниченный, ввиду наличия названных обстоятельств, ресурс работы деталей цилиндропоршневой группы;
- вследствие проскальзывания шариков высокий местный нагрев поверхностей взаимодействующих деталей в зоне контакта и, как следствие, возникновение механических и температурных деформаций и появление возможности заклинивания механизма в процессе работы.

Наиболее близкой к предлагаемой поршневой машине является конструкция бесшатунного двигателя внутреннего сгорания по патенту РФ RU 2057948 С1, МПК 6 F 01 В 9/06, F 02 В 75/32. Этот бесшатунный ДВС содержит цилиндр с пазами на его цилиндрической поверхности, передаточный механизм, камеру сгорания, форсунку, механизм газораспределения, причем передаточный механизм выполнен в виде установленных в поршне роликов, взаимодействующих с криволинейными и бесконечными неперекрещивающимися пазами цилиндра, а поршень связан со штоком, несущим шестерню, при этом шток имеет возможность продольного перемещения относительно упомянутой шестерни, предназначенной для взаимодействия с шестерней выходного вала.

Основными недостатками такого бесшатунного двигателя являются следующие:
- невозможность такой организации процессов рабочего цикла, при которой скорость перемещения поршня в цилиндре в фазе всасывания (впуска) рабочего тела в цилиндр была бы возможно меньшей (в частности, меньше, чем в фазе нагнетания), а в фазе нагнетания (вытеснения) - возможно большей (в частности, больше, чем в фазе всасывания) при постоянной частоте вращения вала машины, то есть реализации "несимметричного" рабочего цикла, при котором продолжительность фазы всасывания рабочего тела больше, чем фазы вытеснения;
- заниженная возможность, вследствие названной причины, преобразования механической работы, подводимой к валу поршневой машины, в энергию рабочего тела (в случае использования такой машины в качестве поршневого насоса или компрессора) из-за относительно большой величины гидравлических потерь (в фазе всасывания) и утечек (в фазе вытеснения), возникающих вследствие относительно высокой скорости движения поршня в цилиндре в фазе всасывания и относительно низкой в фазе вытеснения;
- увеличение вследствие названных причин, механических потерь и, в частности, гидравлических потерь, и утечек рабочего тела через элементы цилиндропоршневого уплотнения, что приводит к ухудшению технико-экономических параметров, показателей и характеристик поршневой машины и снижению ее конкурентоспособности.

В основу изобретения положено решение задачи существенного улучшения технических, мощностных, экономических, массогабаритных параметров, показателей и характеристик поршневой машины для транспортировки (перекачки) газообразных и жидких агентов посредством снижения скорости движения поршня в цилиндре в фазе всасывания рабочего тела и повышения скорости движения поршня в цилиндре в фазе вытеснения рабочего тела, происходящего при постоянной частоте вращения вала этой машины.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в поршневой машине для транспортировки (перекачки) газообразных и жидких агентов, содержащей поршни, цилиндр с пазами на его цилиндрической поверхности, передаточный механизм с роликами, клапанные головки, выходной вал, согласно изобретению каждый поршень снабжен подвижным соединением, включающим вал с площадками, ходовые ролики, опирающиеся с двух сторон на указанные площадки и установленные на траверсе, на противоположных концах которой расположены ролики преобразующего механизма, при этом конфигурация продольного профиля паза цилиндра представляет собой замкнутую, многопериодную, несимметричную в направлении развертки (относительно боковой поверхности цилиндра), с несколькими экстремумами объемную канавку, при этом длина участка канавки, соответствующего фазе всасывания рабочего тела в цилиндр, больше, чем длина участка этой канавки, соответствующего фазе вытеснения рабочего тела из цилиндра, и угол наклона этой канавки к плоскости, перпендикулярной продольной оси поршня, на участках, соответствующих фазе всасывания рабочего тела в цилиндр, выполнен меньшим, чем аналогичный угол ее наклона на участках, соответствующих фазе вытеснения рабочего тела из цилиндра.

В другом варианте поршневой машины для транспортировки (перекачки) газообразных и жидких агентов, содержащей поршни, цилиндр, передаточный механизм с роликами, клапанные головки, выходной вал, согласно изобретению ролики передаточного механизма установлены в корпусе машины и размещены в пазах, выполненных на боковой поверхности поршня, причем каждый поршень снабжен подвижным соединением, включающим вал с площадками и ходовые ролики, опирающиеся с двух сторон на указанные площадки и установленные на траверсе, при этом конфигурация продольного профиля паза поршня представляет собой замкнутую, многопериодную, несимметричную в направлении развертки (относительно боковой поверхности поршня), с несколькими экстремумами объемную канавку, при этом длина участка канавки, соответствующего фазе всасывания рабочего тела в цилиндр, больше, чем на участка этой канавки, соответствующего фазе вытеснения рабочего тела из цилиндра, и угол наклона этой канавки к плоскости, перпендикулярной продольной оси поршня, на участках, соответствующих фазе всасывания рабочего тела в цилиндр, выполнен меньшим, чем на участках, соответствующих фазе вытеснения рабочего тела из цилиндра.

Главной отличительной особенностью такой поршневой машины является то, что паз, выполненный на поверхности одного из элементов цилиндропоршневой группы (цилиндра или поршня), представляет собой замкнутую, криволинейную, многопериодную канавку, так что канавка имеет несколько экстремумов, а экстремальные точки, расположенные на наибольшем удалении от камеры сжатия, так как канавка многопериодная и несимметричная в направлении развертки (относительно боковой поверхности цилиндра или поршня), расположены несимметрично по отношению к экстремальным точкам, расположенным на наименьшем удалении от камеры сжатия. При этом угол наклона беговой дорожки к плоскости, перпендикулярной продольной оси поршня, на участках этой дорожки, соответствующих фазе всасывания рабочего тела в цилиндр β₁, выполнен меньшим, чем аналогичный угол ее наклона на участках, соответствующих фазе вытеснения рабочего тела из цилиндра β₂, и длины участков этой дорожки, соответствующих фазе всасывания рабочего тела L₁, больше длин участков этой дорожки, соответствующих фазе вытеснения L₂. Благодаря этому обстоятельству в поршневой машине для транспортировки (перекачки) газообразных и жидких агентов достигается снижение скорости движения поршня в цилиндре в фазе всасывания рабочего тела и повышение скорости движения поршня в цилиндре в фазе нагнетания рабочего тела, происходящее при постоянной частоте вращения вала этой машины, то есть реализация "несимметричного" рабочего цикла.

Сущность изобретения (на примере одноцилиндровой машины с противоположно движущимися поршнями и синхронизирующим валом) поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена конструктивная схема поршневой машины для транспортировки (перекачки) газообразных и жидких агентов, в которой криволинейный паз выполнен на поверхности цилиндра; на фиг.2 - конструктивная схема поршневой машины для транспортировки (перекачки) газообразных и жидких агентов, в которой криволинейный паз выполнен на поверхности поршня; на фиг.3 - принципиальная схема поршневой машины для транспортировки (перекачки) газообразных и жидких агентов; на фиг.4 - схема последовательных положений беговых роликов одной траверсы (одного поршня), которые они занимают относительно криволинейного паза при перемещении поршня в цилиндре поршневой машины; на фиг. 5 - конфигурация продольного профиля криволинейного паза (беговой дорожки), несимметричного в направлении развертки, при которой угол наклона этого паза к плоскости, перпендикулярной продольной оси поршня, на участках, соответствующих фазе всасывания рабочего тела в цилиндр β₁, выполнен меньшим, чем аналогичный угол наклона паза на участках, соответствующих фазе вытеснения рабочего тела из цилиндра β₂, и длины участков этой дорожки, соответствующих фазе всасывания рабочего тела L₁, больше длин участков, соответствующих фазе вытеснения L₂.

Поршневая машина для транспортировки (перекачки) газообразных и жидких агентов (фиг. 1) содержит поршни 1 и 2, размещенные в гильзе цилиндра 3, поршневые валы 4 и 5, установленные в корпусе 6 машины и связанные с поршнями при помощи подвижных соединений 7, которые включают траверсы 8, рабочие площадки 9 и ходовые ролики 10, шестерни 11, укрепленные на поршневых и выходном (синхронизирующем) 12 валах, камеру сжатия 13, клапанную головку 14; гильза цилиндра имеет окна газораспределения 15, а на поверхности цилиндра выполнен криволинейный паз 16, в котором расположены установленные на траверсе беговые ролики 17 передаточного механизма.

Другой вариант поршневой машины для транспортировки (перекачки) газообразных и жидких агентов (фиг.2) содержит поршни 1 и 2, размещенные в гильзе цилиндра 3, поршневые валы 4 и 5, установленные в корпусе 6 машины и связанные с поршнями при помощи подвижных соединений 7, которые включают траверсы 8, рабочие площадки 9 и ходовые ролики 10, шестерни 11, укрепленные на поршневых и выходном (синхронизирующем) 12 валах, камеру сжатия 13, клапанную головку 14; гильза цилиндра имеет окна газораспределения 15, а на поверхности поршня выполнен криволинейный паз 16, в котором расположены установленные в корпусе машины беговые ролики 17 передаточного механизма.

Принцип действия поршневой машины для транспортировки (перекачки) газообразных и жидких агентов (фиг.1-3) заключается в следующем. В процессе всасывания в цилиндр рабочего тела (газа, жидкости, смеси, взвеси, суспензии или другого агента) поршневые валы 4 и 5, поворачиваясь относительно оси цилиндра, через подвижные соединения 7 побуждают поршни 1 и 2 расходиться к наружным (по отношению к камере сжатия или средней части цилиндра) крайним положениям. Беговые ролики 17 скатываются из положений 18 (фиг.4), которые они занимали при нахождении поршней 1 и 2 во внутренних (по отношению к камере сжатия) крайних положениях, в положения 19, соответствующие нахождению поршней 1 и 2 в наружных крайних положениях. При этом, так как беговая дорожка несимметрична в направлении развертки, а угол ее наклона на участке, соответствующем всасыванию рабочего тела в цилиндр β₁, меньше, чем на участке, соответствующем вытеснению рабочего тела из цилиндра β₂, и длина "участка всасывания" этой дорожки L₁ больше, чем длина "участка вытеснения" этой дорожки L₂, то скорость движения поршня в поступательном движении относительно оси цилиндра в фазе всасывания рабочего тела меньше, чем в фазе вытеснения рабочего тела при постоянной частоте вращения выходного вала машины. В процессе дальнейшего (уже сходящегося) движения поршней 1 и 2 беговые ролики 17 перемещаются в пазах 16 из положений 19 в положения 20 (они же - 18). Происходит процесс вытеснения рабочего тела из цилиндра. При этом, так как беговая дорожка несимметрична в направлении развертки, а угол ее наклона на участке, соответствующем вытеснению рабочего тела из цилиндра β₂, больше, чем на участке, соответствующем всасыванию рабочего тела в цилиндр β₁, и длина "участка вытеснения" этой дорожки L₂ меньше, чем длина "участка всасывания" этой дорожки L₁, то скорость движения поршня в поступательном движении относительно оси цилиндра в фазе вытеснения рабочего тела больше, чем в фазе всасывания рабочего тела при постоянной частоте вращения выходного вала машины. Подвижное соединение 7 через поршневые валы 4 и 5 и шестерни 11 обеспечивает передачу вращательной составляющей движения от выходного вала машины 12 поршням.

Известные конструкции поршневых машин содержат криволинейные пазы, обладающие профилем, симметричным в направлении развертки (относительно боковой поверхности цилиндра или поршня). При этом длины их участков, соответствующих фазе всасывания рабочего тела в цилиндр, и длины их участков, соответствующих фазе вытеснения рабочего тела из цилиндра, а также углы наклона участков, соответствующих фазе всасывания рабочего тела в цилиндр, и углы наклона участков, соответствующих фазе вытеснения рабочего тела из цилиндра, соответственно равны друг другу или, что то же самое, их соответствующие соотношения ("длина - длина", "угол - угол") строго равны единице.

Любое отклонение от симметричности (в направлении развертки - относительно боковой поверхности цилиндра или поршня) этого профиля и, в частности, длин его "участков всасывания" в сторону увеличения относительно длин его "участков вытеснения", а также углов наклона "участков всасывания" в сторону уменьшения относительно углов наклона "участков вытеснения", ведет к снижению скорости движения поршня в цилиндре в фазе всасывания рабочего тела и повышению скорости движения поршня в цилиндре в фазе вытеснения рабочего тела при постоянной частоте вращения выходного вала машины. Например, в поршневых машинах, предназначенных для транспортировки (перекачки) газообразных и жидких агентов (насосах, компрессорах), соотношение длин участков беговой дорожки, соответствующих фазе всасывания рабочего тела в цилиндр L₁, и длин ее участков, соответствующих фазе вытеснения рабочего тела из цилиндра L₂, может находиться в пределах: 1<L₁/L₂≤20, а соотношение углов наклона беговой дорожки, соответствующих фазе вытеснения рабочего тела из цилиндра β₂, и углов ее наклона, соответствующих фазе всасывания рабочего тела в цилиндр β₁, может находиться в пределах: 1<β₂/β₁≤30.
Представленная схема поршневой машины для транспортировки (перекачки) газообразных и жидких агентов обеспечивает следующие технические преимущества:
- возможность осуществления "несимметричного" рабочего цикла, при котором продолжительность фазы всасывания (впуска) рабочего тела в цилиндр будет возможно большей (в частности, больше, чем фазы вытеснения рабочего тела из цилиндра), а скорость перемещения поршня в цилиндре в фазе всасывания рабочего тела возможно меньшей (в частности, меньше, чем в фазе вытеснения рабочего тела из цилиндра) при постоянной частоте вращения вала машины;
- значительно более полное и эффективное преобразование механической работы, подводимой к валу поршневой машины, в энергию рабочего тела (в случае использования такой машины в качестве поршневого насоса или компрессора) из-за снижения гидравлических потерь (в фазе всасывания) и утечек (в фазе вытеснения) вследствие реализации относительно низкой скорости движения поршня в цилиндре в фазе всасывания (в частности, меньше, чем в фазе вытеснения) и относительно высокой в фазе вытеснения (в частности, больше, чем в фазе всасывания) при постоянной частоте вращения вала машины;
- уменьшение вследствие названных причин величины механических потерь и, в частности, гидравлических потерь и снижение утечек рабочего тела через элементы цилиндропоршневого уплотнения, что ведет к улучшению технико-экономических параметров, показателей и характеристик поршневой машины, а также к повышению ее конкурентоспособности.

Поршневая машина для транспортировки (перекачки) газообразных и жидких агентов может быть использована в качестве насоса или компрессора для создания избыточного давления рабочего тела и транспортировки (перекачки) газов, жидкостей, смесей, взвесей, суспензий и других агентов в различных отраслях промышленности и хозяйства.

Машина предназначена для использования в качестве насоса или компрессора. Машина содержит поршни, валы, связанные с поршнями подвижными соединениями, включающими траверсы, рабочие площадки и ходовые ролики, шестерни, укрепленные на поршневых и выходном (синхронизирующем) валах, камеру сжатия, клапанную головку; на поверхности цилиндра выполнен криволинейный паз, в котором расположены установленные на траверсе беговые ролики передаточного механизма. В другом варианте машины криволинейный паз, в котором расположены беговые ролики передаточного механизма, выполнен на боковой поверхности поршня. Причем паз представляет собой замкнутую, криволинейную, многопериодную канавку, а экстремальные точки, расположенные на наибольшем удалении от камеры сжатия, расположены несимметрично по отношению к экстремальным точкам, наименее удаленным от камеры сжатия; длина участка канавки, соответствующего фазе всасывания, больше длины участка канавки, соответствующего фазе вытеснения, а угол наклона канавки к плоскости, перпендикулярной оси поршня, на участках, соответствующих фазе всасывания, меньше аналогичного угла наклона на участках, соответствующих фазе вытеснения. Изобретение обеспечивает: осуществление "несимметричного" рабочего цикла, более полное и эффективное преобразование энергии, уменьшение механических гидравлических потерь, улучшение технико-экономических характеристик. 2 с.п.ф-лы, 5 ил.

1. Поршневая машина для транспортировки (перекачки) газообразных и жидких агентов, содержащая поршни, цилиндр с пазами на его цилиндрической поверхности, передаточный механизм с роликами, камеру сжатия, клапанную головку, выходной вал, отличающаяся тем, что каждый поршень снабжен подвижным соединением, включающим вал с площадками, ходовые ролики, опирающиеся с двух сторон на указанные площадки и установленные на траверсе, на противоположных концах которой расположены ролики преобразующего механизма, при этом конфигурация продольного профиля паза цилиндра представляет собой замкнутую многопериодную несимметричную в направлении развертки (относительно боковой поверхности цилиндра) с несколькими экстремумами объемную канавку, причем длина участка канавки, соответствующего фазе всасывания рабочего тела в цилиндр, больше, чем длина участка этой канавки, соответствующего фазе вытеснения рабочего тела из цилиндра, и угол наклона этой канавки к плоскости, перпендикулярной продольной оси поршня, на участках, соответствующих фазе всасывания рабочего тела в цилиндр, выполнен меньшим, чем на участках, соответствующих фазе вытеснения рабочего тела из цилиндра. 2. Поршневая машина для транспортировки (перекачки) газообразных и жидких агентов, содержащая поршни, цилиндр, передаточный механизм с роликами, камеру сжатия, клапанную головку, выходной вал, отличающаяся тем, что ролики передаточного механизма установлены в корпусе машины и размещены в пазах, выполненных на боковой поверхности поршня, причем каждый поршень снабжен подвижным соединением, включающим вал с площадками и ходовые ролики, опирающиеся с двух сторон на указанные площадки и установленные на траверсе, при этом конфигурация продольного профиля паза поршня представляет собой замкнутую многопериодную, несимметричную в направлении развертки (относительно боковой поверхности поршня) с несколькими экстремумами объемную канавку, причем длина участка канавки, соответствующего фазе всасывания рабочего тела в цилиндр, больше, чем длина участка этой канавки, соответствующего фазе вытеснения рабочего тела из цилиндра, и угол наклона этой канавки к плоскости, перпендикулярной продольной оси поршня, на участках, соответствующих фазе всасывания рабочего тела в цилиндр, выполнен меньшим, чем на участках, соответствующих фазе вытеснения рабочего тела из цилиндра.