КОМПРЕССОР С КОМБИНИРОВАННЫМ МЕХАНИЗМОМ ПРИВОДА Российский патент 2014 года по МПК F04B25/00 

Изобретение относится к области компрессоров объемного действия и может быть использовано при создании преимущественно поршневых компрессоров, к которым предъявляются высокие требования по экономичности, ресурсу работы и чистоте сжимаемых газов.

Известен компрессор с комбинированным приводом, содержащий, по крайней мере, один поршень и два кривошипа, которые установлены в пазу механизма привода, соединенного с поршнем, причем каждый кривошип соединен со своим двигателем, имеющим корпус и приводной вал, с которым соединен кривошип (Пат. России 2098662, МКИ F04В 25/00, 35/00. Бесконтактный компрессор. / А.П.Болштянский, В.Е.Щерба. Омский государственный технический университет. - №95114243/06; Заявлено 08.08.95; Опубл. 10.12.97. Бюл. №34).

Известен также компрессор с комбинированным механизмом привода, содержащий, по крайней мере, один основной поршень со своим цилиндром и два кривошипа, которые установлены в пазу механизма привода, соединенного с этим поршнем, и каждый кривошип соединен со своим двигателем, имеющим корпус и приводной вал, с которым соединен кривошип, а оба двигателя имеют общий единый корпус, причем вал одного двигателя имеет сквозное отверстие, через которое проходит вал второго двигателя Патент России 2334877, МКИ F01B 1/10, F16H 21/36. Машина объемного действия. / А.П.Болштянский, В.Е.Щерба, Е.А.Лысенко. Омский государственный технический университет. - №2006139729; Заявлено 09.11.2006; Опубл. 27.09.2008. Бюл. №27).

Недостатком известных конструкций является их сравнительно низкий коэффициент полезного действия (КПД) в бесконтактном исполнении цилиндропоршневой пары, т.к. в зависимости от режима работы наблюдается большая разность в температурах поршня, от которого теплота, получаемая им от сжатого газа, практически не отводится, и цилиндра, имеющего свободную поверхность теплообмена, в связи с чем они при нагреве расширятся не одинаково, и при проектировании такой конструкции приходится закладывать большой зазор между поршнем и цилиндром. Это обстоятельство существенно снижает КПД компрессора в связи с большими потерями с утечками через большой зазор подведенной к сжимаемому газу работы, т.к. величина утечек зависит от величины зазора в третьей степени.

Задачей изобретения является повышение КПД компрессора за счет снижения работы, потерянной с утечками, путем получения условий для использования минимального зазора в цилиндропоршневой паре.

Данный технический результат достигается тем, что механизм привода соединен со вспомогательным поршнем или плунжером, ось которого совпадает с осью основного поршня, причем вспомогательный поршень или плунжер размещен в дополнительном цилиндре, соединенном через всасывающий клапан с источником жидкости, а через нагнетательные клапаны - с полостями, размещенными в теле основного поршня и его цилиндра, а эти полости соединены с источником жидкости. Полость, размещенная в теле основного цилиндра, может быть соединена с источником жидкости через теплообменник.

Суть изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 схематично изображено продольное сечение поршневого компрессора, основной поршень которого находится в верхней мертвой точке (в его цилиндре заканчивается процесс нагнетания), а вспомогательный плунжер (нижний по рисунку) находится в положении нижней мертвой точки (в нижнем цилиндре заканчивается процесс всасывания смазочно-охлаждающей жидкости).

На фиг.2 изображено поперечное сечение машины (вид в направлении стрелки «А»), а на фиг.3 - этот же вид при среднем (относительно корпуса машины) положении основного поршня и вспомогательного плунжера, когда они оба движутся вниз (в верхнем цилиндре идет процесс всасывания газа, в нижнем - процесс нагнетания жидкости).

Компрессор состоит (фиг.1-3) из основного 1 и дополнительного 2 цилиндров, снабженных всасывающими соответственно 3 и 4 и нагнетательными соответственно 5 и 6 клапанами. В цилиндре 1 с зазором размещен основной поршень 7, а в дополнительном цилиндре 2 размешен вспомогательный плунжер 8, образующие блок, соединенный с общим механизмом привода, выполненным в виде кулисы 9 с пазом 10, в котором установлены первый 11 и второй 12 кривошипы, жестко соединенные с первым 13 и вторым 14 валом приводных двигателей (в данном примере - электродвигателей), причем вал 13 имеет сквозное отверстие 15, через которое проходит вал 14. Оба электродвигателя (первый и второй) имеют общий корпус 16, статорные обмотки соответственно 17 и 18, соединенные с источником напряжения, и роторные обмотки 19 и 20, например, короткозамкнутого типа (оба двигателя асинхронного типа), сидящие неподвижно, соответственно на валах 13 и 14, которые установлены в корпусе 16 на подшипниках качения соответственно 21 и 22. Направление движения (вращения) магнитного поля в статорных обмотках 17 и 18 противоположное, в связи с чем валы 13 и 14 совершают синхронное противоположное вращение (см. фиг.2 и 3).

В теле основного цилиндра 1 (фиг.1), в котором происходит сжатие газа, размещена кольцевая полость 23, соединенная с дополнительным цилиндром 2 через канал 24 и нагнетательный клапан 6, и с источником жидкости 25 через канал 26, который выполняет дополнительно функцию теплообменника. Дополнительный цилиндр 2 соединен с источником жидкости 25 через канал 27 и всасывающий клапан 4 (фиг.1 и 2).

В основном поршне 7 размещена кольцевая полость 28 (фиг.3), которая соединена через разветвленный канал 29 с нагнетательным клапаном 30, размещенным в теле вспомогательного плунжера 8, и снабжена сливными отверстиями 31, обращенными в сторону кулисы 9. Канал 32 служит для слива жидкости из зоны действия кулисы 9 обратно в источник жидкости 25 (фиг.1).

Компрессор работает следующим образом.

При подаче переменного напряжения к статорным обмоткам 17 и 18 в них возникает вращающееся противоположно направленное магнитное поле, возбуждающее магнитные поля в соответствующих роторных обмотках 19 и 20. Взаимодействие магнитных полей вызывает появление крутящего момента, который направлен противоположно в обеих роторных обмотках, в связи с чем валы 13 и 14 вращаются в противоположных направлениях с одинаковой частотой и одинаковым крутящим моментом благодаря идентичности электромагнитных характеристик статорных 17 и 18 и роторных 19 и 20 обмоток. При этом кривошипы 11 и 12 совершают синхронное противоположное вращение в пазу 10 кулисы 9, придавая ей возвратно-поступательное движение вдоль совместной оси основного 1 и дополнительного 2 цилиндров. Перемещающиеся вместе с кулисой 9 поршень 7 и плунжер 8 также совершают возвратно-поступательное движение, изменяя рабочий объем цилиндров 1 и 2. При этом, в связи с наличием всасывающих 3 и 4 и нагнетательных 5, 6 и 30 клапанов, в основном цилиндре 1 газ всасывается, сжимается и подается потребителю, а смазочно-охлаждающая жидкость из источника 25 через канал 27 и клапан 4 всасывается в дополнительный цилиндр 2, сжимается и нагнетается через клапан 30, канал 29 (фиг.2) в полость 28 основного поршня 7, отнимая у него теплоту, переданную поршню в процессе сжатия газа в основном цилиндре 1, откуда сливается через отверстия 31, попадая на кулису 9, смазывая механизм движения, и далее жидкость сливается по каналу 32 (фиг.1) обратно в источник жидкости 25. Кроме того (фиг.1), жидкость из дополнительного цилиндра 25 через нагнетательный клапан 6 и канал 24 попадает в полость 23 основного цилиндра и, протекая по ней, отнимает теплоту сжатия, переданную цилиндру в процессе сжатия газа в этом цилиндре. Далее жидкость по каналу 26, одновременно выполняющему функцию теплообменника (канал 26 проходит во внешней среде и может быть снабжен оребрением), охлаждается и сливается в источник 25, смешиваясь с нагретой жидкостью, поступившей по каналу 32. Сам источник 25 также может быть снабжен увеличенной поверхностью за счет оребрения и может выполнять функцию теплообменника.

Синхронное противоположно направленное и практически полностью соосное вращение валов 13 и 14, а также закрепленных на них кривошипов 11 и 12 обеспечивает полное отсутствие боковых усилий на поршне 7, что позволяет отказаться от его смазки и сжимать газы и смеси газов без их загрязнения продуктами смазки и износа.

Активное охлаждение основных цилиндра и поршня за счет постоянной циркуляции смазочно-охлаждающей жидкости в их полостях предложенной конструкции компрессора позволяет:

1. Стабилизировать температуру основных поршня и цилиндра на одном уровне и при их близких значениях, в результате чего, будучи изготовленными из обычных материалов с близкими коэффициентами линейного расширения (пара «сталь-сталь», «дюралюминий-дюралюминий», «латунь-латунь», «чугун-сталь», «нержавеющая сталь-латунь» и т.д.), получить практически независимый от теплового режима работы компрессора зазор между поршнем и цилиндром, что дает возможность использовать в цилиндропоршневой паре очень малые, близкие к нулю, зазоры и, таким образом, кратно снизить потерю работы цикла с утечками и существенно, на 10-15%, повысить КПД компрессора.

2. Отвести значительную часть теплоты сжатия от поверхностей, окружающих газ в процессе его сжатия, приблизить этот процесс к изотермическому и за счет этого повысить на 5-7% КПД компрессора.

3. За счет потока смазывающе-охлаждающей жидкости из полости основного поршня на механизм движения снизить потери в нем на трение и износ, что также положительно сказывается на работоспособности и экономичности компрессора.

Изобретение относится к области компрессоров объемного действия и может быть использовано при создании, преимущественно, поршневых компрессоров. Компрессор состоит из основного 1 и дополнительного 2 цилиндров с обратными клапанами 3, 4, 5 и 6. В цилиндре 1 с зазором размещен основной поршень 7, а в дополнительном цилиндре 2 - вспомогательный плунжер 8. Поршень 7 сжимает газ, а плунжер 8 - смазочно-охлаждающую жидкость. Механизм привода содержит кулису 9 с пазом 10, в котором установлены кривошипы 11, 12, соединенные с валами 13 и 14 электродвигателей. Вал 13 имеет отверстие 15, через которое проходит вал 14. В теле цилиндра 1 размещена кольцевая полость 23, соединенная с цилиндром 2 через канал 24 и нагнетательный клапан 6 и с источником жидкости 25 через канал 26, который выполняет дополнительно функцию теплообменника. Цилиндр 2 соединен с источником жидкости 25 через канал 27, всасывающий клапан 4 и канал 27. При синхронном и противоположно направленном вращении кривошипов 11 и 12 в пазу 10 кулисы 9 закрепленные на ней поршень 7 и плунжер 8 совершают возвратно-поступательное движение вдоль своей общей оси, всасывая, сжимая и нагнетая соответственно газ и жидкость. В компрессоре происходит активное охлаждение тела цилиндра 1 и поршня 7 за счет постоянной циркуляции смазочно-охлаждающей жидкости в их полостях. Повышается КПД компрессора. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Компрессор с комбинированным механизмом привода, содержащий, по крайней мере, один основной поршень со своим цилиндром и два кривошипа, которые установлены в пазу механизма привода, соединенного с этим поршнем, и каждый кривошип соединен со своим двигателем, имеющим корпус и приводной вал, с которым соединен кривошип, а оба двигателя имеют общий единый корпус, причем вал одного двигателя имеет сквозное отверстие, через которое проходит вал второго двигателя, отличающийся тем, что механизм привода соединен со вспомогательным поршнем или плунжером, ось которого совпадает с осью основного поршня, причем вспомогательный поршень или плунжер размещен в дополнительном цилиндре, соединенном через всасывающий клапан с источником жидкости, а через нагнетательные клапаны - с полостями, размещенными в теле основного поршня и его цилиндра, а эти полости соединены с источником жидкости.

2. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что полость, размещенная в теле основного цилиндра, соединена с источником жидкости через теплообменник.