Варианты выполнения описанного в данном документе изобретения в целом относятся к клапанам с кулачковым приводом, применяемым в поршневых компрессорах, и в частности, к механизмам, предназначенным для изменения момента открытия клапана с кулачковым приводом в период цикла сжатия и/или изменения временного интервала, в течение которого указанный клапан находится в открытом состоянии.
Компрессоры применяют в двигателях, турбинах, при выработке энергии, в условиях низких температур, при нефтегазопереработке и т.д. для повышения давления текучей среды. Одна важная особенность, которую нужно учитывать для компрессоров, применяемых в нефтяной и газовой промышленности, заключается в том, что находящаяся под давлением текучая среда часто является коррозионно-активной и воспламеняющейся. Американским Нефтяным Институтом (American Petroleum Institute, API), который является организацией, устанавливающей официальный промышленный стандарт для оборудования, применяемого в нефтяной и газовой промышленности, был издан документ API618 (версия которого от июня 2011 года включена в данный документ посредством ссылки), в котором перечислен полный перечень минимальных требований к поршневым компрессорам. Таким образом, считается, что клапаны и компрессоры, обсуждаемые в данном документе, должны удовлетворять указанным требованиям. Другими словами, можно полагать, что по мнению специалистов в данной области техники клапаны и компрессоры, применяемые в других отраслях промышленности, например, автомобильной, не являются аналогичными клапанам и компрессорам, применяемым в нефтяной и газовой промышленности.
Клапаны, применяемые в поршневом компрессоре, по существу представляют собой автоматические клапаны, которые переключаются между закрытым положением (т.е. положением, не допускающим протекания текучей среды через клапан) и открытым положением (т.е. положением, допускающим протекание текучей среды через клапан) благодаря перепаду давления в автоматическом клапане. Преимущество использования приводных клапанов вместо автоматических клапанов заключается в том, что объем мертвого пространства (т.е. части объема камеры сжатия, из которого невозможно обеспечить выпуск текучей среды), занимаемого клапанами, уменьшен по сравнению с автоматическими клапанами. Тем не менее, приведение в действие механизма в указанных компрессорах требует значительной нагрузки, больших перемещений и быстрого срабатывания по сравнению с соответствующими диапазонами параметров ныне существующих приводов.
В одном механизме, который может применяться для обеспечения требуемой значительной нагрузки и быстрого срабатывания, используют непрерывно вращающиеся кулачки. Проблема данного типового механизма заключается в том, что момент открытия клапана в процессе цикла сжатия и временной интервал, в течение которого клапан находится в открытом положении, четко определены в соответствии с угловым положением и величиной угла удлиненной части указанного кулачка, поворот которого обеспечивает перемещение, приводящее в действие клапан.
Для клапанов с кулачковым приводом, применяемых в поршневых компрессорах, желательно создать клапанные узлы и разработать способы, которые позволят регулировать момент открытия клапана с кулачковым приводом в процессе цикла сжатия и/или временной интервал, в течение которого клапан находится в открытом положении.
В некоторых вариантах выполнения предложены механизмы активации клапана, содержащие кулачки, и также соответствующие способы, которые обеспечивают регулирование режима переключения (т.е. момента открытия клапана в цикле сжатия и/или временного интервала, в течение которого клапан находится в открытом положении) для клапанов с кулачковым приводом. Возможность регулирования режима переключения клапана обеспечивает эксплуатационную гибкость, что является преимуществом, поскольку обеспечивает оптимизацию цикла сжатия для разных рабочих сред и/или режимов сжатия.
Согласно одному типовому варианту выполнения предложен поршневой компрессор, выполненный с возможностью выполнения циклов сжатия для сжатия текучей среды. Поршневой компрессор содержит: (А) корпус, содержащий камеру сжатия, внутри которой происходит сжатие текучей среды, (В) кулачок с удлиненной частью, расположенный внутри корпуса и выполненный с возможностью вращения вокруг оси вращения с совершением одного оборота в каждом цикле сжатия, (С) исполнительный элемент, расположенный внутри корпуса и выполненный с возможностью приема линейного или углового перемещения благодаря удлиненной части кулачка, и (D) клапан, расположенный в проточном канале для текучей среды, проходящего по направлению к камере сжатия или из нее, и выполненный с возможностью переключения в открытое состояние посредством исполнительного элемента. Поршневой компрессор также содержит контроллер, выполненный с возможностью регулирования момента открытия клапана в цикле сжатия.
Согласно другому примерному варианту выполнения предложен поршневой компрессор, выполненный с возможностью выполнения циклов сжатия. Поршневой компрессор содержит: (А) корпус, имеющий камеру сжатия, внутри которой происходит сжатие текучей среды, (В) кулачок с удлиненной частью, расположенный внутри корпуса и выполненный с возможностью вращения вокруг оси вращения для выполнения одного оборота в каждом цикле сжатия, (С) шток, расположенный внутри корпуса и выполненный с возможностью нахождения в контакте с кулачком и выполнения линейного перемещения относительно оси вращения, и (D) клапан, выполненный с возможностью переключения между открытым и закрытым положениями благодаря прямолинейному перемещению штока. Кроме того, поршневой компрессор включает контроллер, предназначенный для регулирования в ходе цикла сжатия временного интервала, в течение которого клапан находится в открытом состоянии.
Согласно другому примерному варианту выполнения предложен способ регулирования режима работы клапана поршневого компрессора. Способ включает этап использование кулачка, который в поперечном сечении выполнен с обеспечением плавного изменения вдоль оси вращения кулачка по меньшей мере одного из параметров: (1) наклонное положение удлиненной части и (2) угол, образованный удлиненной частью. Способ также включает этап изменения положения вдоль оси вращения кулачка, при котором вал остается в контакте с кулачком, обеспечивая после указанного изменения, по меньшей мере, одно из нижеперечисленного: (1) удлиненная часть кулачка занимает конечное наклонное положение, отличающееся от исходного наклонного положения удлиненной части кулачка, и (2) конечный угол, образованный удлиненной частью кулачка, отличается от исходного угла, образованного удлиненной частью.
Согласно другому примерному варианту выполнения предложен кулачковый механизм, предназначенный для активации клапана, расположенного на пути потока текучей среды, проходящей по направлению к камере сжатия поршневого компрессора или из нее. Кулачковый механизм сдержит кулачок, выполненный с возможностью вращения вокруг оси вращения с совершением одного оборота во время каждого цикла сжатия, при этом в поперечном сечении кулачка его наружные стенки не параллельны его оси вращения. Кулачковый механизм также содержит исполнительный элемент, предназначенный для восприятия линейного или углового перемещения благодаря удлиненной части указанного кулачка, для переключения клапана в открытое положение. Кулачковый механизм также содержит контроллер, предназначенный для регулирования момента открытия клапана во время каждого цикла сжатия.
Прилагаемые чертежи, которые включены в данное описание и составляют его часть, изображают один или несколько вариантов выполнения, и совместно с описанием поясняют данные варианты выполнения. На чертежах:
Фиг. 1 схематично изображает приводной узел согласно примерному варианту выполнения;
Фиг. 2 изображает кулачковый механизм согласно примерному варианту выполнения;
Фиг. 3 схематично изображает кулачковый механизм согласно примерному варианту выполнения;
Фиг. 4 изображает нестандартный трехмерный профиль кулачка согласно примерному варианту выполнения;
Фиг. 5 изображает график, который показывает результат изменения момента открытия клапана согласно примерному варианту выполнения;
Фиг. 6А и Фиг. 6В изображают разрезы кулачка, имеющего нестандартный трехмерный профиль согласно другому примерному варианту выполнения;
Фиг. 7 изображает график, показывающий результат изменения временного интервала, в течение которого клапан находится в открытом положении согласно примерному варианту выполнения;
Фиг. 8А и Фиг. 8В схематично изображают кулачковый механизм согласно другому примерному варианту выполнения;
Фиг. 9 схематично изображает поршневой компрессор согласно другому примерному варианту выполнения; и
Фиг. 10 изображает блок-схему способа регулирования временных характеристик открытия клапана поршневого компрессора согласно примерному варианту выполнения.
Приведенное ниже описание типовых вариантов выполнения ссылается на прилагаемые чертежи. Одинаковыми номерами позиций на разных чертежах обозначены одинаковые или подобные элементы. Приведенное далее подробное описание не исчерпывает изобретение. В действительности, объем изобретения определен прилагаемой формулой изобретения. Для простоты приведенные ниже варианты выполнения описаны с точки зрения терминологии и конструкции клапанов с кулачковым приводом для поршневых компрессоров, применяемых в нефтяной и газовой промышленности. Тем не менее, описанные ниже варианты выполнения не исчерпываются указанными компрессорами, а могут быть применимы к другим типам компрессоров.
Применяемая на протяжении описания ссылка на выражение «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» означает, что конкретный признак, конструкция или характеристика, описанные применительно к варианту выполнения, относятся, по меньшей мере, к одному варианту выполнения изобретения. Таким образом, использование фраз «в одном варианте выполнения» или «в варианте выполнения» в различных местах на протяжении текста описания не обязательно относится к одному и тому же варианту выполнения. Более того, конкретные признаки, конструкции или характеристики могут быть объединены любым соответствующим образом в одном или нескольких вариантах выполнения.
Одной из задач, решаемых с помощью описанных далее вариантов выполнения, является создание клапанов с кулачковым приводом для поршневых компрессоров с регулируемым режимом работы и разработка соответствующих способов. Как показано на Фиг. 1, в нефтяной и газовой промышленности привод 110, который по существу представляет собой электродвигатель, предпочтительно расположен снаружи корпуса 130 компрессора для того, чтобы исключить контакт с рабочей текучей средой (которая может быть воспламеняющейся). Внутри корпуса 130 компрессора проходит вал 120 (который выполнен с возможностью вращения или линейного перемещения), предназначенный для передачи управляющего движения, создаваемого приводом 110.
Фиг. 2 изображает кулачковый механизм 200, содержащий кулачок 210, выполненный с возможностью непрерывного вращения вокруг оси 220 вращения, например, выполняя полный оборот в течение каждого цикла сжатия поршневого компрессора. Кулачок 210 имеет удлиненную часть 215, вытянутую вдоль одного направления от оси 220 (т.е. расстояние от любой точки удлиненной части 215 до оси 220 вращения больше радиуса R остальной части кулачка 210). Шток 230 сохраняет контакт с окружной поверхностью кулачка, сохраняя направление вдоль оси 235. Шток 230 может толкаться по направлению к кулачку 210 посредством возвратного усилия, обусловленного перепадом давления на противоположных концах штока 230, или посредством другого возвратного механизма, который может представлять собой, например, простую пружину (но может иметь другие разнообразные варианты выполнения). Во время вращения кулачка 210 шток 230 выполняет линейное перемещение, в процессе которого шток 230 отодвигается от оси 220 вращения и затем скользит обратно по направлению к оси 220 вращения. Данное линейное перемещение может использоваться для активации линейного клапана или может быть преобразовано в угловое перемещение для активации поворотного клапана.
Фиг. 3 схематично изображает механизм 300, применяемый для активации линейного клапана поршневого компрессора. Снаружи корпуса 310 компрессора расположены приводы 320 и 330 (например, электрические двигатели), предназначенные для обеспечения вращательного движения и углового перемещения, соответственно.
Кулачковый привод 320 обеспечивает вращательное движение вокруг оси 325 вращения с угловой скоростью ω. Данное вращательное движение передается к кулачку 340 посредством кулачкового вала 350, проходящего сквозь корпус 310 компрессора. По месту прохождения кулачкового вала 350 внутри корпуса 310 компрессора расположено уплотнение 345, предотвращающее утечку рабочей текучей среды из поршневого компрессора 310. Кулачок 340 выполняет оборот во время каждого цикла сжатия.
Шток 365 клапана сохраняет контакт с окружной поверхностью кулачка 340. Во время вращения кулачка 340 шток 365 клапана выполняет линейное перемещение (как обозначено направлением стрелки вверх-вниз на штоке 365 клапана) вдоль оси 325 вращения. Т. е., когда удлиненная часть кулачка 340 направлена к штоку 365 клапана и расположена под осью 325, как показано на чертеже сплошной линией, шток 365 клапана отдален от оси 325. Когда удлиненная часть направлена в противоположном направлении от штока 365 и расположена над осью 325, как показано пунктирной линией, указанный шток клапана приближен к оси 325.
Во время выполнения циклов сжатия поршневым компрессором кулачок 340, установленный на держателе 355 кулачка, находится в фиксированных продольном и осевом положениях относительно кулачкового вала 350. Однако, если компрессор не выполняет циклы сжатия, кулачок 340 и держатель 355 могут быть перемещены относительно кулачкового вала 350.
В одном варианте выполнения продольное перемещение обеспечивается наличием закрученных осевых канавок 360 на внутренней поверхности держателя 355 кулачка и на наружной поверхности кулачкового вала 350. В результате изменения продольного положения кулачка 340 относительно кулачкового вала 350 точка 366 контакта между штоком 365 клапана и кулачком 340 перемещается вдоль кулачка 340 между точками А и В.
Держатель 355 совершает продольное перемещение (то есть параллельно оси 325), когда ползун 370 кулачкового держателя продольно перемещается в результате углового перемещения, обеспеченного приводом 330, управляющим положением кулачка. Привод 330 содержит (или управляется) контроллер 331, предназначенный для инициации процесса углового перемещения, которое вызывает линейное перемещение ползуна 370. Привод 330 обеспечивает вращение вала 335 указанного привода, проходящего сквозь корпус 310 компрессора. По месту прохождения вала 335 через корпус 310 расположено уплотнение 375, препятствующее утечке текучей среды из поршневого компрессора. Вращение вала 335 превращается в продольное перемещение ползуна 370 (как обозначено стрелками, направленными влево и вправо) благодаря наличию соединения 380 (например, наружной резьбы на вале 335 и внутренней резьбы на ползуне 370) между валом 335 и ползуном 370.
Направляющая часть 385 соединяется с ползуном 370 и внутренней стенкой корпуса 310 компрессора. Можно считать, что привод 330, вал 335, ползун 370, направляющая часть 385 и держатель 355 являются элементами контроллера, предназначенного для регулирования момента открытия клапана.
В данном варианте выполнения кулачок 340 имеет нестандартный объемный профиль, как показано на Фиг. 4, так что, в некоторых поперечных сечениях кулачка 440, пересекаемых осью 425 вращения, наружные стенки указанного кулачка не параллельны его оси вращения. При этом в обычном кулачке его наружные стенки по существу параллельны оси вращения кулачка во всех его поперечных сечениях, пересекаемых осью вращения.
В поперечном сечении кулачка 440, которое перпендикулярно оси 425 вращения, проведена линия, соединяющая точку, в которой ось 425 вращения пересекает указанное поперечное сечение, и самую дальнюю от оси 425 точку на контуре кулачка. В данном поперечном сечении угловое положение удлиненной части 441 соответствует углу, образованному указанной линией и направлением отсчета (направление отсчета не связано с поперечным сечением).
Угловое положение удлиненной части 441 кулачка 440 на Фиг. 4 изменяется в разных поперечных сечениях вдоль оси 425 вращения. Например, в поперечном сечении, перпендикулярном оси 425 вращения на правой стороне профиля кулачка, линия 442 соединяет точку О (в которой ось 425 пересекает данное поперечное сечение) и точку 443, расположенную на контуре кулачка на максимальном удалении от точки О. Если направление отсчета совпадает с линией 444, которая параллельна линии 442, угловое положение удлиненной части 441 в поперечном сечении с правой стороны кулачка 440 соответствует 0. Если линия 446 параллельна линии 442', соединяющей точку О', в которой ось 425 вращения пересекает поперечное сечение с левой стороны кулачка 440, и точку 443', расположенную на контуре кулачка максимально удаленно от оси 425 вращения в данном поперечном сечении с левой стороны, угловое положение удлиненной части 441 в указанном сечении соответствует Ф. Угловое положение удлиненной части 441 плавно изменяется от 0 до Ф для разных поперечных сечений вдоль длины кулачка. Напротив, в обычном кулачке удлиненная часть имеет одно и то же угловое положение во всех поперечных сечениях, проходящих вдоль длины кулачка.
Благодаря данному нестандартному трехмерному профилю, когда кулачок 340 перемещается вдоль своей оси вращения, в поперечном сечении кулачка, перпендикулярном оси вращения, конечное угловое положение удлиненной части после перемещения кулачка в точке контакта со штоком 365 отличается от исходного углового положения указанной части (до смещения указанного кулачка).
На Фиг. 5 в виде графика показано влияние изменения углового положения удлиненной части на момент открытия клапана. На оси «х» графика показано изменение величин угла поворота коленчатого вала во время сжатия (коленчатый вал выполняет полный оборот от 0° до 360° в ходе каждого цикла сжатия). На оси «у» графика показано положение клапана. До регулирования положения кулачка вдоль его оси клапан остается открытым в течение заданного периода времени, как показано сплошной линией 510. Когда кулачок поворачивается вокруг оси вращения, приводя к изменению углового положения удлиненной части, клапан остается открытым в течение такого же периода времени, но открывается в ходе процесса в другой момент, отличный от момента, когда он был открыт до перемещения кулачка, как показано пунктирной линией 520. Таким образом, момент открытия клапана регулируют путем изменения углового положения удлиненной части.
В другом варианте выполнения кулачок 340 имеет обычный профиль, но может быть повернут относительно кулачкового вала 350 посредством косозубых колес 360, которые заменяют осевые канавки, присутствовавшие в предыдущем варианте выполнения. Косозубые колеса 360 расположены между кулачковым валом 350 и держателем 355 кулачка и преобразуют прямолинейное перемещение держателя 355 (например, толкаемого ползуном 370) во вращение последнего относительно кулачкового вала 350. В таком случае, между кулачковым держателем 355 и ползуном 370 могут быть помещены вкладыши (не показаны на чертежах), принимающие на себя осевое усилие косозубых колес 360 вовремя бесперебойной работы, тем самым, исключая передачу тангенциальной силы ползуну 370.
Таким образом, момент открытия клапана в течение цикла сжатия можно отрегулировать путем: 1) перемещения точки контакта штока клапана и кулачка вдоль длины указанного кулачка, если кулачок имеет нестандартный профиль, и угловое положение его удлиненной части изменяется вдоль длины кулачка или 2) изменения углового положения удлиненной части кулачка со стандартным профилем, при этом косозубые колеса обеспечивают возможность углового смещения кулачка относительно его вала.
Согласно другому варианту выполнения кулачок 640 может иметь нестандартный профиль другого типа, при этом его наружные стенки также не параллельны оси вращения. Для кулачка 640 угол, образованный его удлиненной частью, изменяется вдоль длины кулачка. Угол, образованный указанной удлиненной частью, ограничен линиями, соединяющими точки на контуре кулачка, отделяя удлиненную часть (для которой расстояние от точки на контуре до центра О вращения превышает радиус указанного кулачка) от остальной части кулачка. На Фиг. 6А изображен разрез кулачка 640, перпендикулярный его оси вращения, в котором удлиненная часть образует первый угол α1, и на Фиг. 6В изображен другой разрез кулачка, в котором удлиненная часть образует второй угол α2, величина которого превышает величину α1(α1<α2). Величина угла, образованного удлиненной частью, плавно (то есть, не ступенчато) изменяется вдоль длины кулачка 640. Напротив, обычный кулачок имеет профиль, в котором наружные стенки параллельны оси вращения, и величина угла, образованного удлиненной частью, постоянна вдоль длины указанного кулачка.
Если указанный кулачок вращается с постоянной угловой скоростью, разница в величине угла, образованного удлиненными частями, обуславливает разницу во временном интервале, в течение которого клапан находится в открытом состоянии, как показано на графике Фиг. 7. Оси графика на Фиг. 7 соответствуют осям графика на Фиг. 5. Сплошная линия 710 соответствует временному интервалу, в течение которого клапан находится в открытом состоянии, когда точка контакта штока клапана с кулачком расположена на участке, соответствующем первому углу α1, образованному удлиненной частью. Пунктирная линия 720 соответствует временному интервалу, в течение которого клапан находится в открытом состоянии, если точка контакта штока клапана с кулачком расположена на участке, соответствующем второму углу α2, образованному удлиненной частью указанного кулачка.
В одном варианте выполнения удлиненная часть имеет одно и то же угловое положение вдоль длины указанного кулачка, в то время как угол, образованный удлиненной частью, изменяется вдоль длины кулачка. Однако, в других вариантах выполнения нестандартный профиль может обеспечивать изменение (вдоль длины указанного кулачка) углового положения удлиненной части и изменение величины угла, образуемого удлиненной частью.
Изменение временного интервала, в течение которого клапан остается в открытом состоянии в ходе цикла сжатия, для обычного кулачка можно обеспечить путем изменения угловой скорости, например, путем более медленного или быстрого вращения по сравнению со средней угловой скоростью, при этом шток клапана находится в контакте с удлиненной частью кулачка. Поскольку длительность цикла сжатия не изменяется, кулачок вращают быстрее или медленнее, соответственно, по сравнению со средней угловой скоростью, при этом шток клапана не контактирует с удлиненной частью кулачка. То есть, в ходе каждого цикла сжатия угловая скорость вращательного движения кулачка вокруг оси вращения принимает по меньшей мере два разных значения. В данном случае контроллер регулирует работу привода (например, электродвигателя), который обеспечивает вращение кулачка. Контроллер может быть расположен внутри указанного привода или может быть соединен с ним. Изменение угловой скорости кулачка вновь вызывает техническую трудность, связанную с обеспечением быстрого срабатывания и значительной нагрузки, которая была разрешена путем использования постоянно вращающихся кулачков. Тем не менее, нагрузка, которую необходимо приложить для изменения угловой скорости, меньше нагрузки, необходимой для обеспечения линейного или углового перемещения из неподвижного положения.
Согласно другому типовому варианту выполнения, изображенному на Фиг. 8А и Фиг. 8В, механизм 800 активации поворотного клапана содержит приводы 820 и 830 (например, электродвигатели), расположенные снаружи корпуса 810 компрессора. Кулачковый привод 820 обеспечивает вращение кулачкового вала 850, который проходит сквозь крышку 815 корпуса 810 компрессора. По месту прохождения вала 850 через крышку 815 расположено уплотнение 845, предотвращающее утечку рабочей текучей среды из корпуса 810 компрессора. Кулачковый вал 850 передает вращательное движение вокруг оси 825 к кулачкам 835 и 840. Кулачки 835 и 840 выполняют вращение в ходе каждого цикла сжатия.
Во время вращения кулачков 835 и 840 удлиненные части указанных кулачков перемещают, соответственно, рычаги 865 и 869, как показано на Фиг. 8В. Удлиненные части кулачков 835 и 840 перемещают рычаги 865 и 869 в разные моменты времени в течение цикла сжатия, обеспечивая открытие и закрытие поворотного клапана, содержащего вал 868, соединенный с ротором клапана (не показан на чертежах). Кулачок 840 и рычаг 865 также известны, как открывающий кулачок и открывающий рычаг, соответственно. Кулачок 835 и рычаг 869 также известны, как закрывающий кулачок и закрывающий рычаг, соответственно.
При выполнении поршневым компрессором циклов сжатия кулачок 840, который установлен на держателе 855, зафиксирован вдоль кулачкового вала 850. Однако в то время, когда поршневой компрессор не выполняет циклы сжатия, кулачок 840 и кулачковый держатель 855 могут быть перемещены относительно вала 850.
Подобно вариантам выполнения, описанным применительно к Фиг. 3, если кулачок 840 имеет нестандартный трехмерный профиль, как показано на Фиг. 4, осевые канавки 860 на держателе 855 и кулачковом валу 850 обеспечивают перемещение кулачка 840 и держателя 855 вдоль оси 825 вращения. С другой стороны, если кулачок 840 имеет обычный профиль, косозубые колеса 860 между держателем 855 и валом 850 обеспечивают вращение кулачка 840 и держателя 855 относительно вала 850. Когда поршневой компрессор выполняет циклы сжатия, держатель 855 не двигается, таким образом, не меняя положения кулачка 840 относительно вала 850. В любых других вариантах выполнения, в результате изменения положения (продольного или углового) кулачка 840 относительно указанного вала кулачка происходит изменение момента открытия клапана.
Держатель 855 и кулачок 840 перемещаются относительно вала 850, когда ползун 870 перемещается в продольном направлении в результате углового перемещения, создаваемого приводом 830. Привод 830 содержит (или им управляет) контроллер 831, предназначенный для инициации углового перемещения, вызывающего линейное перемещение ползуна 870.
Привод 830 обеспечивает вращение вала 873, проходящего сквозь крышку 815. По месту прохождения вала 873 через крышку 815 выполнено уплотнение 875, препятствующее утечке текучей среды из поршневого компрессора. Угловое перемещение вала 873 преобразуется в продольное перемещение ползуна 870 (как обозначено стрелками, указывающими направления влево и вправо) благодаря наличию соединения 880 между валом 873 и ползуном 870. Направляющая часть 885 обеспечивает сопряжение ползуна 870 и внутренней стенки корпуса 810 компрессора.
Таким образом, при изменении продольного или углового положения кулачка 840 относительно вала 850 происходит изменение момента открытия клапана. В варианте выполнения, изображенном на Фиг. 8А, момент закрытия клапана не меняется и, следовательно, данное изменение момента открытия клапана также обеспечивает изменение временного интервала, в течение которого клапан находится в открытом положении.
Однако, в другом варианте выполнения для регулирования момента закрытия клапана могут быть предусмотрены механизмы, подобные описанным выше механизмам, предназначенные для регулирования момента открытия клапана. В таком случае изменение одного или обоих моментов открытия и закрытия клапана позволяет регулировать режим работы или только продолжительность нахождения клапана в открытом состоянии.
Клапаны, приводимые в действие описанными выше кулачковыми механизмами, обеспечивающими регулирование режимов, могут быть использованы в двухкамерном компрессоре 900, который изображен на Фиг. 9. Однако, клапаны, приводимые в действие механизмами, содержащими кулачки, могут быть применены и в однокамерных поршневых компрессорах.
Компрессор 900 представляет собой двухкамерный поршневой компрессор, содержащий корпус 910. Сжатие происходит внутри камер 922 и 924 сжатия компрессора 900. Рабочая текучая среда с первым давлением P1, протекает внутрь камер 922 и 924 через впускное отверстие 930, когда всасывающие клапаны 932 или 934 открыты. Сжатая текучая среда со вторым давлением Р2>P1 выпускается из камер 922 и 924 к выпускному отверстию 940, когда открыты выпускные клапаны 942 или 944. Сжатие текучей среды происходит благодаря возвратно-поступательному движению поршня 950 между головным концом 926 и нижним концом 928 со стороны коленчатого вала. Камеры 922 и 924 сжатия работают в разных фазах циклического процесса сжатия, при этом объем камеры 922 соответствует минимальному значению, когда объем камеры 924 соответствует максимальному значению, и наоборот. Поршень 950 перемещается благодаря энергии, полученной, например, от коленчатого вала (не показан на чертежах) посредством крестовины (не показана на чертежах) и стержня 980 поршня. На Фиг. 9 изображены клапаны 932, 934, 942 и 944, расположенные на боковой стенке корпуса 920 камеры сжатия. Однако, клапаны 932, 942, 934 и 944 могут быть расположены в головном конце 926 и/или нижнем конце 928 со стороны коленчатого вала.
В отличие от автоматического клапана (который переключается между открытым и закрытым положениями в зависимости от разницы давления на противоположных сторонах подвижной части клапана) клапан 932 представляет собой поворотный клапан с кулачковым приводом, который открывается после получения углового перемещения от механизма 937, изображенного на Фиг. 9. Механизм 937 содержит кулачок (не показан на чертеже) и может быть подобен механизму 800, изображенному на Фиг. 8А и Фиг. 8В, предназначенному для передачи углового перемещения штоку клапана для открытия и закрытия поворотного клапана 932. В альтернативном варианте выполнения, вместо поворотного клапана использован линейный клапан, который можно привести в действие механизмом, подобным механизму 300, изображенному на Фиг. 3.
Один или несколько клапанов поршневого компрессора 900 могут представлять собой клапаны с кулачковым приводом. Некоторые варианты выполнения могут содержать комбинацию кулачковых и автоматических клапанов, даже если все клапаны приводятся в действие от кулачка, только некоторые из кулачков предназначены для регулирования режима работы клапана. Например, всасывающие клапаны (к примеру, 932, 934) могут быть клапанами с кулачковым приводом, предназначенными для регулирования режима работы клапана, тогда как выпускные клапаны (например, 942, 944) могут быть автоматическими.
Кроме активации клапана 932 механизм 937 также предназначен для изменения момента открытия клапана в течение цикла сжатия и/или временного интервала, в течение которого клапан находится в открытом положении.
На Фиг. 10 показана блок-схема способа 1000 регулирования временных характеристик открытия клапана поршневого компрессора согласно примерному варианту выполнения. На этапе S1010 способ 1000 включает обеспечение кулачка, имеющего трехмерный профиль, что обеспечивает плавное изменение вдоль оси вращения по меньшей мере одного из нижеперечисленного: 1) углового положения удлиненной части и (2) угла, образованного удлиненной частью. Далее, на этапе S1020 способ 1000 включает изменение положения вдоль оси вращения, при котором шток клапана находится в контакте с контуром указанного кулачка, что обеспечивает после указанного изменения по меньшей мере одно из ниже перечисленного: (1) удлиненная часть указанного кулачка занимает конечное угловое положение, отличающееся от исходного углового положения удлиненной части кулачка, и (2) конечный угол, образованный удлиненной частью, отличается от исходного угла, образованного указанной частью.
Способ 1000 может также включать вращение кулачка относительно кулачкового вала, предназначенного для передачи вращательного движения к кулачку для изменения углового положения удлиненной части. Также, способ 1000 может включать изменение длительности линейного движения путем изменения угловой скорости кулачка, вращающегося вокруг оси вращения, обеспечивая по меньшей мере два разных значения угловой скорости в процессе каждого цикла сжатия.
В описанных типовых вариантах выполнения предложены узлы клапана, содержащие кулачки, и соответствующие способы активации клапанов в поршневых компрессорах, применяемых в нефтяной и газовой промышленности. Следует понимать, что изобретение не исчерпывается данным описанием. Напротив, типовые варианты выполнения содержат альтернативные варианты, модификации и эквивалентные решения, не выходящие за рамки сущности и объема изобретения, который определен прилагаемой формулой изобретения. Более того, в подробном описании типовых вариантов выполнения изложены многочисленные характерные признаки, способствующие всестороннему пониманию заявленного изобретения. Однако, для специалистов в данной области техники будет понятно, что разные варианты выполнения могут быть реализованы без учета указанных характерных признаков.
Несмотря на то, что признаки и элементы представленных типовых вариантов выполнения описаны в конкретных сочетаниях, каждый признак или элемент может быть применен самостоятельно, без учета других признаков и элементов вариантов выполнения, либо в различных сочетаниях с другими признаками и элементами, описанными в данном документе, или без их учета.
В изложенном описании использованы примеры, позволяющие любому специалисту в данной области техники реализовать изобретение на практике, включая создание и применение любых устройств или систем, и осуществление любых предусмотренных способов. Патентоспособный объем изобретения определен формулой изобретения и может включать другие примеры, которые возникнут у специалистов в данной области техники. Такие примеры не выходят за рамки объема формулы изобретения.
Изобретение относится к клапанам с кулачковым приводом, применяемым в поршневых компрессорах. Содержит механизмы для изменения момента открытия клапана с кулачковым приводом и/или временного интервала, в течение которого указанный клапан находится в открытом состоянии в период цикла сжатия. Поршневой компрессор содержит корпус 910, содержащий камеру 922 сжатия. Кулачок имеет удлиненную часть, расположен внутри указанного корпуса и выполнен с возможностью вращения вокруг оси вращения с совершением одного оборота в процессе каждого цикла сжатия. Исполнительный элемент расположен внутри указанного корпуса и выполнен с возможностью восприятия линейного или углового перемещения благодаря удлиненной части кулачка. Клапан 932 расположен на пути потока текучей среды, проходящего по направлению к камере 922 сжатия или из указанной камеры, и выполнен с возможностью переключения в открытое положение посредством исполнительного элемента. Поршневой компрессор также содержит контроллер, выполненный с возможностью регулирования режима работы указанного клапана. Обеспечиваются значительные нагрузки и быстрое срабатывание. 4 н. и 8 з.п. ф-лы, 10 ил.
1. Поршневой компрессор (900), выполненный с возможностью совершения циклов сжатия текучей среды, содержащий:
корпус (310, 810, 910), содержащий камеру (922) сжатия, внутри которой происходит сжатие текучей среды,
кулачок (340, 440, 840), имеющий удлиненную часть, при этом кулачок расположен внутри указанного корпуса (310, 810) и выполнен с возможностью вращения вокруг оси (325, 425, 825) вращения с совершением оборота в процессе каждого цикла сжатия,
исполнительный элемент (365, 865), расположенный внутри указанного корпуса (310, 810) и выполненный с возможностью восприятия линейного или углового перемещения благодаря указанной удлиненной части кулачка,
клапан (932), расположенный на пути потока текучей среды, проходящего по направлению к камере (922) сжатия или из указанной камеры, и выполненный с возможностью переключения в открытое состояние посредством указанного исполнительного элемента (365, 865), и
контроллер (331, 831), выполненный с возможностью регулирования момента открытия клапана в процессе цикла сжатия.
2. Поршневой компрессор по п. 1, в котором профиль кулачка выполнен с обеспечением плавного изменения углового положения удлиненной части в поперечных сечениях вдоль оси вращения, а указанный контроллер выполнен с возможностью инициации углового перемещения, которое приводит к перемещению указанного кулачка вдоль оси вращения, так что в поперечном сечении кулачка, перпендикулярном оси вращения, конечное угловое положение удлиненной части в конечном местоположении, при котором исполнительный элемент входит в контакт с кулачком после перемещения указанного кулачка, будет отличаться от исходного углового положения удлиненной части в поперечном сечении кулачка, перпендикулярном оси вращения, в исходном положении, в котором исполнительный элемент находится в контакте с кулачком до перемещения указанного кулачка.
3. Поршневой компрессор по п. 2, в котором контроллер содержит механизм активации, выполненный с возможностью перемещения кулачка вдоль оси вращения после получения углового перемещения, и привод для изменения положения кулачка, расположенный снаружи указанного корпуса и выполненный с возможностью обеспечения углового перемещения указанного механизма активации.
4. Поршневой компрессор по п. 3, в котором механизм активации содержит:
вал активации изменения положения кулачка, выполненный с возможностью поворота в соответствии с угловым перемещением и установленный так, что один конец указанного вала находится снаружи корпуса и соединен с указанным приводом для изменения положения кулачка, а второй конец расположен внутри указанного корпуса,
ползун держателя кулачка, расположенный внутри указанного корпуса и находящийся в контакте со вторым концом указанного вала, при этом указанный ползун соединен с указанным валом таким образом, что при вращении этого вала линейное перемещение ползуна по существу параллельно оси вращения указанного кулачка, и
держатель кулачка, установленный в контакте с указанным ползуном и выполненный с возможностью продольного перемещения вместе с указанным кулачком относительно кулачкового вала, что приводит к вращению кулачка в процессе циклов сжатия при линейном перемещении указанного ползуна.
5. Поршневой компрессор по п. 2, дополнительно содержащий:
кулачковый вал, выполненный с обеспечением вращения указанного кулачка в процессе циклов сжатия,
причем контроллер выполнен с возможностью обеспечения выборочного вращения указанного кулачка относительно кулачкового вала с обеспечением тем самым изменения углового положения удлиненной части в местоположении, в котором указанный исполнительный элемент находится в контакте с указанным кулачком, при этом контроллер содержит:
привод для изменения положения кулачка, расположенный снаружи указанного корпуса и выполненный с возможностью обеспечения углового перемещения,
вал активации изменения положения кулачка, выполненный с возможностью поворота в соответствии с угловым перемещением и установленный таким образом, что один конец указанного вала находится снаружи корпуса и соединен с указанным приводом для изменения положения кулачка, а второй конец расположен внутри указанного корпуса,
ползун держателя кулачка, расположенный внутри указанного корпуса и находящийся в контакте со вторым концом указанного вала, при этом указанный ползун соединен с указанным валом таким образом, что при вращении этого вала линейное перемещение ползуна по существу параллельно оси вращения указанного кулачка, и
держатель кулачка, установленный в контакте с указанным ползуном и выполненный с возможностью вращения вместе с указанным кулачком относительно кулачкового вала при линейном перемещении указанного ползуна.
6. Поршневой компрессор по п. 1, в котором контроллер выполнен с возможностью регулирования временного интервала, в течение которого клапан находится в открытом положении.
7. Поршневой компрессор по п. 6, в котором контроллер регулирует временной интервал путем управления угловой скоростью указанного кулачка, вращающегося вокруг оси вращения, обеспечивая по меньшей мере два разных значения угловой скорости в процессе каждого цикла сжатия, при этом первая угловая скорость имеет место при контакте исполнительного элемента с удлиненной частью кулачка, и вторая угловая скорость имеет место при отсутствии такого контакта.
8. Поршневой компрессор по п. 1, в котором профиль кулачка выполнен так, что угол, перекрываемый указанной удлиненной частью, изменяется вдоль оси вращения, а указанный контроллер выполнен с возможностью инициации перемещения указанного кулачка вдоль оси вращения, так что в месте контакта штока с кулачком конечный угол, перекрываемый удлиненной частью после перемещения, отличается от исходного угла, перекрываемого ею до указанного перемещения.
9. Способ (1000) регулирования моментов открытия клапана с кулачковым приводом для поршневого компрессора, включающий:
обеспечение (S1010) кулачка, профиль которого выполнен таким образом, что по меньшей мере один из следующих параметров: (1) угловое положение удлиненной части и (2) угол, перекрываемый удлиненной частью, плавно изменяется в поперечных сечениях вдоль оси вращения указанного кулачка, и
изменение (S1020) положения вдоль оси вращения указанного кулачка, при котором вал остается в контакте с указанным кулачком, обеспечивая после указанного изменения по меньшей мере одно из ниже перечисленного:
(1) удлиненная часть указанного кулачка занимает конечное угловое положение, отличающееся от исходного углового положения удлиненной части указанного кулачка, и (2) конечный угол, перекрываемый удлиненной частью, отличается от исходного угла, перекрываемого указанной удлиненной частью.
10. Кулачковый механизм (300, 800), предназначенный для активации клапана (932), расположенного на пути потока текучей среды, проходящего по направлению к камере (922) сжатия поршневого компрессора (900) или из указанной камеры, при этом кулачковый механизм содержит:
кулачок (340, 440, 840), выполненный с возможностью вращения вокруг оси (325, 425, 825) вращения с совершением одного оборота во время каждого цикла сжатия поршневого компрессора, при этом указанный кулачок имеет такой профиль, что наружные стенки кулачка не параллельны его оси вращения,
исполнительный элемент (365, 865), выполненный с возможностью восприятия линейного или углового перемещения благодаря удлиненной части указанного кулачка для переключения клапана в открытое положение, и
контроллер (330, 830), выполненный с возможностью регулирования момента открытия клапана в процессе каждого цикла сжатия.
11. Поршневой компрессор, выполненный с возможностью совершения циклов сжатия текучей среды и содержащий:
корпус (310, 810, 910), имеющий камеру (922) сжатия, внутри которой происходит сжатие текучей среды, и кулачковый механизм по п. 10.
12. Поршневой компрессор по любому из пп. 1-8, содержащий кулачковый механизм по п. 10.
| WO 2007140283 A2, 06.12.2007 | |||
| РЕЗИНОВАЯ СМЕСЬ НА ОСНОВЕ НЕНАСЫЩЕННЫХ | 0 |
|
SU384361A1 |
| СПОСОБ РАСПУШКИ АСБЕСТА | 0 |
|
SU188345A1 |
| ВПУСКНОЙ КЛАПАН СВОБОДНОПОРШНЕВОГО ДЕТАНДЕР-КОМПРЕССОРА | 0 |
|
SU373447A1 |
| КЛАПАН С МОТОРНЫЛ1 ПРИВОДО.^^ | 0 |
|
SU396523A1 |
