РОТАТИВНЫЙ КОМПРЕССОР Российский патент 2014 года по МПК F04B27/53 F04B53/02 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к поршневым ротативным машинам объемного вытеснения для производства сжатого газа, и может быть использовано в качестве компрессорной ступени вместо динамического компрессора в составе газотурбинных установок.

Из уровня техники известен компрессор, включающий кольцевой блок цилиндров, размещенные в цилиндрах поршни, механизм, обеспечивающий взаимное возвратно-поступательное движение поршней и цилиндров, и клапанное устройство, обеспечивающее подачу и отвод газа из полостей, образованных между цилиндрами и поршнями (см. патент GB 1062063, кл. F04B 1/14, опубл.15.03.1967). Недостатками известного устройства являются низкий механический КПД из-за возникающих больших потерь на трение в парах поршень/цилиндр, а также невысокий термодинамический КПД адиабатного процесса сжатия газа, обусловленный потерями энергии на нагрев газа.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в повышении эффективности работы компрессора за счет уменьшения потерь на трение и приближения процесса сжатия газа к изотермическому процессу. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в ротативном компрессоре, включающем кольцевой блок цилиндров, размещенные в цилиндрах поршни, механизм, обеспечивающий взаимное возвратно-поступательное движение поршней и цилиндров, и клапанное устройство, обеспечивающее подачу и отвод газа из полостей, образованных между цилиндрами и поршнями, поршни и цилиндры выполнены в виде полых стаканов, имеющих дно и обечайку, поршни помещены своими открытыми торцами внутрь цилиндров с гарантированным зазором между обечайками поршней и цилиндров, причем указанные зазоры и частично указанные полости заполнены жидкостью, компенсирующей за счет разницы статических давлений столбов жидкости в полостях и в зазорах, возникающей при вращении блока цилиндров, разницу давления газа внутри поршней и давления, воздействующего на поверхность жидкости в зазорах.

В качестве жидкости применена вода или растворы солей с повышенной плотностью и высокой температурой кипения. Компрессор снабжен подкачивающим насосом для постоянного или периодического добавления и обновления жидкости.

На чертеже представлен один из вариантов исполнения предлагаемого ротативного компрессора.

Компрессор состоит из вращающегося вокруг неподвижной оси 1 кольцевого блока цилиндров 2, размещенных в цилиндрах 2 поршней 3, выполненных в виде полых стаканов, имеющих дно и обечайку и направленных своими открытыми торцами внутрь цилиндров 2. Между обечайками поршней 3 и цилиндров 2 оставлен гарантированный зазор 4. Зазоры 4, частично цилиндры 2 и поршни 3 заполнены жидкостью 5, которая при вращении блока цилиндров 2 центробежными силами прижимается к донышкам цилиндров 2. В качестве жидкости 5 применена вода или растворы солей с повышенной плотностью и высокой температурой кипения, например, растворы бромида кальция, бромида цинка, хлорида цинка или их смеси с плотностью до 2200 кг/куб.м и температурой кипения до +180 град.С. На оси неподвижного кривошипа 6 с эксцентриситетом относительно оси вращения блока цилиндров 2 установлен с возможностью вращения диск 7 с шатунами 8, которые шарнирно соединены с ползунами крейцкопфа 9. Ползуны крейцкопфа 9 соединены с поршнями 3 и установлены в блоке цилиндров 2 с возможностью возвратно-поступательного перемещения в подшипниках качения 10. Блок цилиндров 2 имеет окна 11, связывающие внутреннее пространство блока цилиндров с атмосферой. Каждый из цилиндров 2 имеет канал 12 для отвода сжатого воздуха с выпускным клапаном 13. Каждый из поршней 3 снабжен впускным клапаном 14. Между свободной поверхностью жидкости 5 в поршнях 3 и внутренними поверхностями поршней 3 образованы полости 15, которые при возвратно-поступательном движении поршней 3 в цилиндрах 2 циклически изменяют свой объем. Для восполнения объема жидкости 5, неизбежно уменьшающейся за счет испарения и уноса с потоком сжатого газа, а также для замещения нагревающейся от сжатия газа жидкости 5 предусмотрен насос, постоянно или периодически подкачивающий жидкость 5 в цилиндры 2 (на чертеже не показан).

Предлагаемый компрессор работает следующим образом.

Блок цилиндров 2 раскручивают до окружной скорости ω по часовой стрелке. В положении «А», когда объем полости 15 минимален, открывается впускной клапан 14 и полость 15 соединяется с атмосферой. При повороте блока цилиндров 2 из положения «А» через положение «Б» в положение «В» атмосферный воздух поступает в увеличивающуюся в объеме полость 15. Далее закрывается впускной клапан 14 и при повороте блока цилиндров 2 из положения «В» через положение «Г» в положение «А» воздух сжимается в уменьшающейся в объеме полости 15, при достижении расчетного давления открывается выпускной клапан 13 и через каналы 12 сжатый воздух отводится потребителю. В положении «А» открывается впускной клапан 14, закрывается выпускной клапан 13 и цикл работы компрессора повторяется.

При любом положении блока цилиндров 2 и при любой разнице давлений воздуха в полостях 15 и атмосферного давления эта разница давлений автоматически компенсируется разницей статического давления жидкости 5, находящейся в полости 15 и в зазоре 4, обусловленной разницей высот «Н» столбов жидкости 5, находящихся в поле действия центробежных сил. При работе компрессора за счет теплоотдачи от сжатого и нагретого газа происходит нагрев жидкости 5. Подкачивающий насос (на чертеже не показан) постоянно или периодически добавляет новую холодную жидкость5 в цилиндры 2. При этом высота цилиндра 2 от донышка до открытого торца выбрана с таким расчетом, чтобы при каждом цикле сжатия излишки жидкости 5 из зазора 4 переливались через открытый торец цилиндра 2, после чего эти излишки нагретой жидкости 5 удаляются. Таким образом, автоматически поддерживается конструктивно заложенный уровень жидкости 5 в цилиндрах 2, влияющий на степень сжатия газа.

Степень сжатия газа в компрессоре пропорциональна величине центростремительного ускорения, разности высот жидкости 5 в поршнях 3 и зазорах 4 и плотности жидкости 5, а температура сжатого газа пропорциональна степени его сжатия, поэтому в качестве жидкости 5 целесообразно применять жидкости с повышенной плотностью и высокой температурой кипения, например, растворы бромида кальция, бромида цинка, хлорида цинка, или их смеси с плотностью до 2200 кг/куб.м и температурой кипения до +180 град.С.

В предлагаемой конструкции компрессора отсутствует трение скольжения между поршнями и цилиндрами, что повышает механический КПД его работы. Максимальная степень сжатия ограничена температурой испарения применяемой жидкости, но при условии постоянного обновления жидкости температура сжимаемого воздуха может значительно превышать температуру испарения жидкости. Кроме того, охлаждение сжимаемого воздуха постоянно обновляющейся холодной жидкостью приближает процесс сжатия воздуха к изотермическому процессу, что также повышает КПД работы компрессора.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к поршневым ротативным машинам объемного вытеснения для производства сжатого газа, и может быть использовано в качестве компрессорной ступени вместо динамического компрессора в составе газотурбинных установок. Ротативный компрессор включает кольцевой блок цилиндров, размещенные в цилиндрах поршни, механизм взаимного возвратно-поступательного перемещения поршней и цилиндров и клапанное устройство. Клапанное устройство обеспечивает подачу и отвод газа из полостей, образованных между цилиндрами и поршнями. Поршни и цилиндры выполнены в виде полых стаканов, имеющих дно и обечайку, при этом поршни помещены своими открытыми торцами внутрь цилиндров с гарантированным зазором между обечайками поршней и цилиндров. Указанный зазор и частично указанная полость заполнены жидкостью. При вращении блока цилиндров жидкость компенсирует разницу давления газа внутри поршня и давления на поверхности жидкости в зазоре за счет разницы статических давлений столбов жидкости в полостях и в зазорах. Изобретение позволяет повысить эффективность работы компрессора за счет уменьшения потерь на трение и приближения процесса сжатия газа к изотермическому процессу. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Ротативный компрессор, включающий кольцевой блок цилиндров, размещенные в цилиндрах поршни, механизм, обеспечивающий взаимное возвратно-поступательное движение поршней и цилиндров, и клапанное устройство, обеспечивающее подачу и отвод газа из полостей, образованных между цилиндрами и поршнями, отличающийся тем, что поршни и цилиндры выполнены в виде полых стаканов, имеющих дно и обечайку, поршни помещены своими открытыми торцами внутрь цилиндров с гарантированным зазором между обечайками поршней и цилиндров, причем указанные зазоры и частично указанные полости заполнены жидкостью, компенсирующей за счет разницы статических давлений столбов жидкости в полостях и в зазорах, возникающей при вращении блока цилиндров, разницу давления газа внутри поршней и давления, воздействующего на поверхность жидкости в зазорах.

2. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкости используют воду или растворы веществ с повышенной плотностью и высокой температурой кипения.

3. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что он снабжен подкачивающим насосом для постоянного или периодического добавления и обновления жидкости.