ПОРШНЕВОЙ КОМПРЕССОР Российский патент 2005 года по МПК F02B33/00 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к конструкции воздушных или газовых поршневых компрессоров (ПК), которые имеют механизм движения поршней и цилиндр с впускными и выпускными окнами.

В качестве ближайшего прототипа можно принять известные ПК воздушные и газовые [1], у которых впускные и выпускные окна цилиндра перекрываются самодействующими клапанами или клапанами с принудительным приводом.

Все основные экономические показатели компрессора зависят от совершенства применяемых клапанов, которые должны иметь минимальное газодинамическое сопротивление, минимальное вредное пространство цилиндра над поршнем при его положении в верхней мертвой точке (ВМТ) и высокую надежность.

Газодинамическое сопротивление клапанов зависит от их проходного сечения и характеризуется коэффициентом использования площади клапана. У современных конструкций самодействующих клапанов коэффициент использования не превышает значения 0,3 от полного проходного сечения, которое клапан занимает в клапанном гнезде компрессора. Для увеличения проходного сечения клапанов увеличивают площадь клапанных окон и высоту подъема рабочих пластин, а также уменьшают жесткость клапанных пружин. При этом существует зависимость. Чем больше проходное сечение клапана, тем больше его вредное пространство, тем сложнее его конструкция и тем меньше его надежность и долговечность. Существует также зависимость, при которой чем больше скорость вращения ПК, тем больше сопротивление клапанов и тем меньше их надежность из-за увеличения скорости газа и динамических ударов клапанных пластин о седло и ограничитель подъема пластин. У современных ПК из-за газодинамического сопротивления впускных клапанов к концу всасывающего хода поршня в цилиндре образуется вакуум порядка 0,015 МПа, что вызывает снижение коэффициента наполнения цилиндра и снижение производительности ПК до 20-ти процентов. Коэффициент наполнения цилиндра и производительность ПК снижаются также из-за вредного пространства, которое имеют клапаны. Снижение производительности за счет вредного пространства вызывается запаздыванием открытия впускных клапанов и может достигать 30 процентов. В сумме потеря давления к концу цикла всасывания и влияние вредного пространства могут вызывать снижение коэффициента наполнения цилиндра и производительности ПК на 30-40%. На всасывающем ходе поршня в цилиндре создается вакуум, который действует на поршень с отрицательным знаком и вызывает дополнительный расход энергии на привод компрессора. Проблемным вопросом также является регулирование производительности ПК в соответствии с меняющимся текущим расходом газа потребителями, т.к. все известные регуляторы производительности не имеют достаточной эффективности и имеют сложную конструкцию.

Задачей изобретения является повышение производительности ПК и снижение его удельных затрат энергии на сжатие газа, а также повышение эффективности регулирования производительности и упрощение регулирующих устройств, для чего необходимо уменьшить вредное пространство и его влияние на наполнение цилиндра и устранить в цилиндре вакуум при всасывающем ходе поршня, а также создать избыточное давление в цилиндре к началу цикла сжатия.

Изобретение имеет следующие ограничительные и отличительные признаки.

Поршневой компрессор воздушный или газовый, содержащий цилиндр с впускными и выпускными окнами, которые выполнены в верхней части цилиндра и перекрываются самодействующими клапанами или клапанами с принудительным приводом, отличается тем, что он снабжен создающим избыточное давление нагнетателем, газ от которого подведен к впускным клапанам цилиндра и к дополнительным нижним впускным окнам, которые выполнены в нижней части цилиндра над поршнем при его положении в нижней мертвой точке.

При этом нагнетатель снабжен регулятором производительности, выполненным, например, в виде дроссельной заслонки, а в качестве впускных и выпускных клапанов с принудительным приводом может быть использован цилиндрический золотник вращательного действия, на наружной цилиндрической поверхности которого выполнены окна, имеющие длину по дуге окружности и место расположения на цилиндрической поверхности золотника по углу поворота вала, соответствующие заданным фазам газораспределения компрессора.

Изложенная сущность изобретения поясняется Фиг.1 и Фиг.2, которые имеют следующие позиции:

1 - цилиндр ПК; 2 - впускные окна цилиндра 1; 3 - выпускные окна цилиндра 1; 4 - впускные клапаны; 5 - выпускные клапаны; 6 - поршень цилиндра 1; 7 - дополнительные нижние впускные окна; 8 - нагнетатель; 9 - регулятор производительности нагнетателя 8; 10 - потребители сжатого газа; 11 - камера впуска; 12 - впускное окно камеры 11; 13 - камера выпуска; 14 - выпускное окно камеры 13; 15 - приемник газа; 16 - золотник; 17 - впускное окно золотника; 18 - выпускное окно золотника.

Принцип работы ПК, изображенного на Фиг.1, заключается в следующем.

В верхней части цилиндра 1 выполнены впускные 2 и выпускные окна 3, открытие и закрытие которых осуществляется соответственно самодействующими впускными 4 и выпускными 5 клапанами, которые открываются и закрываются под действием разности давления до и после клапана, которое возникает при работе ПК. В нижней части цилиндра 1 над поршнем 6 при его положении в нижней мертвой точке (НМТ) выполнены дополнительные нижние впускные окна 7, которые перекрываются поршнем 6 при его движении от НМТ к ВМТ. ПК снабжен нагнетателем 8, который создает избыточное давление и снабжен регулятором производительности 9, который может быть выполнен, например, в виде дроссельной заслонки с ручным или автоматическим приводом, который срабатывает по сигналу от датчика давления, установленного перед потребителями 10 сжатого газа. Газ от нагнетателя 8 подается одновременно к впускным клапанам 4 и к дополнительным нижним впускным окнам 7.

Перед впускными окнами имеется избыточное давление, которое создает нагнетатель, например 0,02 МПа. В начале движения поршня 6 от ВМТ к НМТ в цилиндре имеется избыточное расчетное давление нагнетания, которое выше, чем давление перед впускными клапанами, т.к. на цикле окончания выталкивания газа поршнем из цилиндра весь газ из цилиндра не вышел и остатки сжатого газа находятся во вредном пространстве цилиндра. Из-за наличия давления в цилиндре впускные клапаны еще закрыты. При дальнейшем движении поршня к НМТ идет расширение газа во вредном пространстве цилиндра, которое сопровождается снижением давления газа. Когда давление в цилиндре станет меньше, чем перед впускными клапанами 4 и возникнет достаточная разность давления перед и после впускных клапанов, последние открываются и начинается заполнение цилиндра. Т.к. перед впускными клапанами 4 действует избыточное давление от нагнетателя, они откроются при большем давлении внутри цилиндра при расширении газа из вредного пространства. В результате их открытие произойдет раньше по сравнению с открытием впускных клапанов у ПК, работающего без нагнетателя. Более раннее открытие впускных клапанов позволяет увеличить величину всасывающего хода поршня и коэффициент наполнения цилиндра. При этом заполнение цилиндра идет с избыточным давлением, которое создает нагнетатель, за минусом потери давления, которое расходуется на преодоление сопротивления впускных клапанов 4. При подходе поршня к НМТ поршень открывает нижние впускные окна 7 и происходит дополнительное заполнение цилиндра с избыточным давлением, которое создает нагнетатель. Дополнительное заполнение цилиндра идет с минимальной потерей давления, т.к. открытые окна 7 имеют минимальное газовое сопротивление и в конце хода поршня его скорость равна нулю. При таком способе заполнения цилиндра становится возможным увеличить суммарное сопротивление впускных клапанов, в том числе за счет сокращения их количества. За счет уменьшения количества впускных клапанов уменьшится вредное пространство цилиндра, а следовательно, создаются условия для более раннего открытия впускных клапанов. На более раннее открытие клапанов будет также влиять увеличение давления в цилиндре за счет работы нагнетателя 8. В сумме уменьшение объема вредного пространства и поднятие давления в цилиндре на всем ходе поршня от ВМТ к НМТ позволяют повысить производительность ПК на 20-40%, а также позволяют упростить регулирование производительности ПК, которое можно вести, изменяя производительность не самого ПК, а производительность нагнетателя 8, например, с помощью дроссельной заслонки 9 или изменяя скорость вращения нагнетателя.

С помощью изменения производительности нагнетателя 8 можно обеспечить глубину регулирования ПК до 50-ти процентов, т.к. производительность ПК находится в прямой пропорциональной зависимости от величины давления в конце всасывающего хода поршня. Возможность увеличения сопротивления впускных клапанов позволяет уменьшить высоту подъема рабочих пластин и увеличить жесткость клапанных пружин, что уменьшает силу динамических ударов рабочих пластин о седло и ограничитель подъема. В результате увеличится надежность самодействующих клапанов. Повышение надежности самодействующих клапанов в свою очередь позволяет повысить скорость вращения ПК и пропорционально увеличению скорости вращения увеличить производительность ПК. Использование нагнетателя позволяет снизить удельные затраты энергии на выработку сжатого газа, т.к. на всасывающем ходе поршня в цилиндре будет отсутствовать вакуум и, наоборот, избыточное давление в цилиндре будет давить на поршень при его движении от ВМТ к НМТ, что снизит затраты энергии на привод ПК.

Принцип работы ПК, изображенного на Фиг.2, заключается в следующем.

Для открытия и закрытия впускных и выпускных окон цилиндра используется кинематически связанный по вращению с валом ПК цилиндрический золотник 16, на наружной цилиндрической поверхности которого выполнены окна 17 и 18. Длина окон по дуге окружности и их положение по углу поворота золотника соответствуют фазам и циклам работы ПК. При начале движения поршня 6 от НМТ к ВМТ впускные окна 2 и выпускные окна 3 цилиндра закрыты и в нем происходит сжатие газа до расчетного давления, которое определяется положением по углу поворота вала окон 17 на цилиндрической поверхности золотника 16. Выпускные окна 3 открываются золотником, когда в результате внутреннего сжатия давление в цилиндре достигнет расчетного значения, например, 0,8 МПа. Предполагается, что в этот момент в сети сжатого газа, который подводится к потребителям, также присутствует расчетное давление. При открытии золотником 16 выпускных окон 3, когда окна 3 цилиндра 1 совмещаются с окнами 17 золотника, порция уже сжатого газа выталкивается поршнем в сеть сжатого газа. При подходе поршня к ВМТ выпускные окна 3 цилиндра 1 закрываются, а следовательно, заканчивается цикл выталкивания из цилиндра 1 сжатого газа. Принцип предварительного сжатия газа в компрессоре известен и используется в винтовых и роторных компрессорах. При начале движения поршня от ВМТ к НМТ сразу открываются впускные окна 2, что позволяет сбросить давление во вредном пространстве цилиндра и исключить его влияние на уменьшение коэффициента наполнения цилиндра. После открытия впускных окон 2 сразу начинается заполнение цилиндра с избыточным давлением, которое поступает от нагнетателя, за минусом потерь давления от наличия газодинамического сопротивления впускных окон цилиндра. Но это сопротивление не будет оказывать влияния на производительность ПК, т.к. при подходе поршня к НМТ открываются поршнем 6 дополнительные нижние окна 7 цилиндра, которые увеличивают суммарное проходное сечение впускных окон, и газ от нагнетателя с меньшим сопротивлением входит в цилиндр. В результате в цилиндре восстанавливается полная величина избыточного давления, которое может создать нагнетатель. Наличие нижних впускных окон 7 позволяет уменьшить проходное сечение верхних впускных окон 2, которые перекрываются золотником, а следовательно, упростить конструкцию и снизить массу золотникового газораспределения. Регулирование производительности ПК производится изменением количества газа, поступающего к верхним впускным окнам 2 и к нижним дополнительным окнам 7 от нагнетателя 8, с помощью дроссельной заслонки 9 или другим способом, например изменением скорости вращения нагнетателя. Золотниковое газораспределение не имеет инерционных масс, движущихся с переменной скоростью, и намного проще и надежнее самодействующих клапанов.

В результате ПК, оснащенный золотниковым газораспределением, может иметь скорость вращения на порядок и выше, чем ПК, имеющий самодействующие клапаны. Предложенная конструкция ПК с золотниковым газораспределением проще, дешевле и экономичнее, чем известные винтовые, роторные и центробежные компрессоры, которые теряют свое преимущество, вызванное отсутствием самодействующих клапанов. Удельные показатели массы в зависимости от производительности у предложенной конструкции ПК благодаря его высокой скорости вращения будут не хуже, а удельные показатели по затратам энергии на сжатие газа будут лучше, чем у известных винтовых и центробежных компрессоров, т.к. конструктивно последние имеют большие обратные перетечки газа из-за наличия расчетных зазоров между ротором и статором. Дополнительным преимуществом ПК можно считать возможность изменения его производительности в широких пределах с использованием различной скорости вращения и возможность их частых пусков и остановок, тогда как центробежные и винтовые компрессоры имеют постоянную и высокую расчетную скорость вращения, которая не позволяет производить их частые пуски и остановки из-за ухудшения условий смазки и больших пусковых токов. ПК имеют меньший уровень шума и могут работать без смазки цилиндров, упрощается ремонт и обслуживание ПК, не имеющих самодействующих клапанов. Такие ПК могут быть использованы для автономного снабжения сжатым газом отдельных потребителей и позволяют отказаться от централизованного снабжения потребителей сжатым газом с использованием компрессорных станций большой производительности, которые имеют большие сети газоснабжения и большие затраты энергии на преодоление сопротивления газопроводов большой протяженности.

Поршневой компрессор предназначен для использования в машиностроении. Поршневой компрессор снабжен создающим избыточное давление нагнетателем. Газ от нагнетателя подведен к впускным клапанам цилиндра и к дополнительным нижним впускным окнам. Последние выполнены в нижней части цилиндра над поршнем при его положении в нижней мертвой точке. Нагнетатель снабжен устройством для изменения его производительности. Впускные и выпускные клапаны выполнены самодействующими. Впускные и выпускные клапаны выполнены в виде клапанов с принудительным приводом. В качестве впускных и выпускных клапанов с принудительным приводом использованы золотниковые клапаны. Обеспечивается повышение производительности компрессора. 3 з. п. ф-лы. 2 ил.

1. Поршневой компрессор воздушный или газовый, содержащий цилиндр с впускными и выпускными окнами, которые выполнены в верхней части цилиндра и перекрываются клапанами, отличающийся тем, что он снабжен создающим избыточное давление нагнетателем, газ от которого подведен к впускным клапанам цилиндра и к дополнительным нижним впускным окнам, которые выполнены в нижней части цилиндра над поршнем при его положении в нижней мертвой точке, а нагнетатель снабжен устройством для изменения его производительности.2. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что впускные и выпускные клапаны выполнены самодействующими.3. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что впускные и выпускные клапаны выполнены в виде клапанов с принудительным приводом.4. Компрессор по п.3, отличающийся тем, что в качестве впускных и выпускных клапанов с принудительным приводом использованы золотниковые клапаны.