Система с коаксиальным устройством направления потока и соответствующий способ Российский патент 2019 года по МПК F04B27/02 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

[0001] Настоящая заявка является обычной заявкой, и ее приоритет заявляется по дате подачи предварительной заявки на патент США №61/801,688, озаглавленной "Компрессорная система с коаксиальным устройством направления потока и соответствующий способ", поданной 15 марта 2013 г., содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] Данный раздел знакомит читателя с различными аспектами уровня техники, которые могут быть связаны с различными аспектами настоящего изобретения, описанными и/или заявленными далее. Предполагается, что в данном пояснении читатель найдет общую информацию, которая способствует лучшему пониманию различных аспектов настоящего изобретения. Следовательно, понятно, что данные факты следует понимать в этом ключе, а не как признание уровня техники.

[0003] Следует понимать, что текучие среды, такие как природный газ и воздух, имеют широкий спектр применения в промышленности и коммерческих приложениях. Например, природный газ может использоваться для питания ряда транспортных средств, для обогрева домов зимой и для работы различной бытовой техники, например духовок или сушилок для одежды. Кроме того, природный газ может использоваться для производства электроэнергии, распределяемой в электрических сетях, а также для производства ряда изделий и материалов, включая, например, стекло, сталь и пластик.

[0004] Для удовлетворения спроса на природный газ компании могут затрачивать значительное количество времени и ресурсов на поиск, добычу и транспортировку природного газа. Следует понимать, что природный газ может быть получен на нефтяных месторождениях, в таких случаях газ называют попутным газом, или на месторождениях природного газа. Также следует понимать, что транспортировку такого природного газа, например с помощью трубопровода от места производства к потребителю, часто выполняют с помощью сжатия газа с использованием компрессора.

[0005] Распространенным типом компрессора для таких случаев является поршневой компрессор. Такие поршневые компрессоры представляют собой устройства объемного типа, по существу использующие коленчатый вал, соединенный с поршнями с помощью шатунов и ползунов, для приведения поршней в возвратно-поступательное движение и сжатия текучей среды в присоединенных компрессорных цилиндрах. Как известно специалистам в данной области техники, природный газ (или какая-либо другая текучая среда) по существу поступает в камеры сжатия цилиндров через один или более впускной или всасывающий клапанный узел и, после сжатия, текучая среда по существу покидает цилиндры через один или более выпускной или нагнетательный клапанный узел. К сожалению, существующие устройства могут неэффективно направлять текучие среды в компрессор и из компрессора, что приводит к потере компрессии.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0006] Различные особенности и преимущества предложенного изобретения станут более очевидны из последующего подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, где на всех чертежах одинаковыми номерами обозначены одинаковые детали и на которых:

[0007] на фиг. 1 представлен вид в аксонометрии варианта выполнения компрессорной системы, содержащей иллюстративное коаксиальное устройство направления потока (например, тороидальную улитку),

[0008] на фиг. 2 представлен осевой разрез варианта выполнения иллюстративного компрессора, показанного на фиг. 1, с показанными внутренними элементами компрессора,

[0009] на фиг. 3 представлен частичный вид в аксонометрии сегмента варианта выполнения коаксиального устройства направления потока (например, тороидальной улитки),

[0010] на фиг. 4 представлен вид в разрезе варианта выполнения коаксиального устройства направления потока (например, тороидальной улитки), проточно сообщающегося с компрессором с помощью концентрического клапана,

[0011] на фиг. 5 представлен вид в разрезе варианта выполнения коаксиального устройства направления потока (например тороидальной улитки), проточно сообщающегося с компрессором с помощью выпускных клапанов и всасывающих клапанов,

[0012] на фиг. 6 представлен вид в разрезе поршня в первом положении в соответствии с вариантом выполнения коаксиального устройства направления потока (например, тороидальной улитки),

[0013] на фиг. 7 представлен вид в разрезе поршня во втором положении в соответствии с вариантом выполнения коаксиального устройства направления потока (например тороидальной улитки), и

[0014] на фиг. 8 представлен вид сбоку иллюстративного тарельчатого клапана в соответствии с одним из вариантов выполнения настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ

[0015] Ниже описан один или несколько конкретных вариантов выполнения предложенного изобретения. Для ясности описания этих вариантов выполнения изобретения в описании, возможно, будут описаны не все особенности фактической реализации. Необходимо понимать, что при любой такой фактической реализации, как в любых инженерных или конструкторских проектах, должны быть приняты многочисленные конкретные специальные решения для достижения конкретных целей проектирования, например в соответствии с конструктивными или деловыми ограничениями, которые могут изменяться в зависимости от конкретного случая. Более того, необходимо понимать, что такие опытно-конструкторские работы могут быть сложны и трудоемки, но, тем не менее, это будут стандартные процедуры при проектировании, производстве, и изготовлении для специалиста в данной области техники, знакомого с настоящим изобретением.

[0016] При описании элементов различных вариантов выполнения предложенного изобретения термин «указанный», «упомянутый», а также упоминание этих элементов в единственном числе означают наличие одного или более элементов. Термины "содержащий", "включающий" и "имеющий" являются инклюзивными и обозначают возможность наличия других элементов помимо перечисленных. Кроме того, понятия «верх», «низ», «выше», «ниже» и их варианты использованы для удобства и не задают какой-либо определенной ориентации элементов.

[0017] Представленные варианты выполнения включают коаксиальное устройство направления потока (например, тороидальная улитка), которое увеличивает эффективность и облегчает перестановку или замену клапана в компрессорной системе. Коаксиальное устройство направления потока (например, тороидальная улитка) увеличивает эффективность компрессорной системы благодаря эффективному направлению текучей среды и уменьшению неиспользуемого пространства цилиндра. Когда текучая среда резко меняет направление или взаимодействует с поверхностями с острыми углами, она теряет импульс/энергию. Потеря импульса/энергии может приводить к дополнительной работе системы, необходимой для компенсации потерь и продолжения движения текучей среды. Дополнительная работа увеличивает расход/потребление энергии системой, тем самым уменьшая общую эффективность системы. Как будет более подробно описано далее, коаксиальное устройство направления потока (например, тороидальная улитка) снижает сопротивление потоку текучей среды путем уменьшения препятствий (то есть количества острых поворотов и углов, которые препятствуют потоку текучей среды, входящему в компрессорную систему и выходящему из нее). Кроме того, коаксиальное устройство направления потока (например, тороидальная улитка) направляет текучую среду в цилиндр и из него с одной стороны компрессорного цилиндра, что позволяет поршню продвигаться по длине цилиндра. Благодаря этому уменьшается неиспользуемое пространство цилиндра, что позволяет сжимать больше текучей среды за один ход поршня. Более того, коаксиальное устройство направления потока (например, тороидальная улитка) упрощает перестановку или замену клапанов, что позволяет использовать различные типы клапанов. Например, коаксиальное устройство направления потока (например, тороидальная улитка) позволяет системе использовать как один клапан (например, концентрический клапан), так и несколько клапанов (например, всасывающие клапаны, выпускные клапаны, пластина с тарельчатыми клапанами и т.д.).

[0018] На чертежах на фиг. 1 показана иллюстративная компрессорная система 10. В представленном варианте выполнения компрессорная система 10 содержит два компрессорных цилиндра 12, соединенных с рамой 14. Как подробнее изложено далее, в цилиндрах 12 и на раме 14 могут быть установлены различные внутренние элементы, обеспечивающие сжатие текучих сред в цилиндрах 12. В одном из вариантов выполнения компрессорная система 10 может использоваться для сжатия природного газа. Однако в других вариантах выполнения компрессорная система 10 может быть предназначена и/или использоваться для сжатия других текучих сред, например воздуха, инертных газов, технологических газов и им подобных. Источник механической энергии или привод 16, например двигатель или электродвигатель, может быть подключен к компрессорной системе 10 для снабжения различных внутренних элементов механической энергией и для обеспечения сжатия текучей среды в цилиндрах 12. Для упрощения доступа к внутренним элементам, что может понадобиться при диагностике или техническом обслуживании, в раме 14 могут быть выполнены отверстия с избирательным доступом с помощью съемных крышек над этими отверстиями.

[0019] Иллюстративные цилиндры 12 могут принимать и выпускать газы через коаксиальное устройство 18 направления потока (например, тороидальную улитку), выполненное с возможностью обеспечения увеличения эффективности компрессорной системы 10 вследствие уменьшения потерь компрессии. При эксплуатации, коаксиальное устройство 18 направления потока (например, тороидальная улитка) обеспечивает поступление газа в цилиндр 12, где газ сжимается и затем выпускается обратно из коаксиального устройства 18 направления потока. Однако геометрия коаксиального устройства 18 направления потока уменьшает количество поворотов и острых углов, через которые проходит текучая среда. Благодаря меньшему количеству острых углов и изгибов, коаксиальное устройство 18 направления потока позволяет текучей среде сохранять ее скорость, тем самым уменьшая потери компрессии в компрессорной системе 10, так как текучая среда лучше сохраняет импульс. Кроме того, коаксиальное устройство 18 направления потока позволяет поршням компрессорной системы 10 перемещаться дальше в цилиндрах 12, тем самым уменьшая мертвое пространство (то есть пространство, через которое не перемещаются цилиндры 12). Уменьшение мертвого пространства позволяет поршням выполнять больше работы за один ход (то есть сжимать больше газа за один ход), увеличивая тем самым эффективность компрессорной системы 10.

[0020] Хотя иллюстративная компрессорная система 10 представлена в виде двухколенного поршневого компрессора, в компрессорах другой конструкции также могут успешно использоваться представленные в настоящем документе технические средства. Например, в других вариантах выполнения, компрессорная система 10 может содержать другое количество цилиндров, например четырехколенный компрессор, шестиколенный компрессор, поршневой компрессор без муфты, винтовой компрессор или подобные им. Кроме того, возможны другие варианты, включая изменения длины хода, рабочей скорости, размера и многое другое.

[0021] На фиг. 2 представлен вид в разрезе иллюстративной компрессорной системы 10, где показаны многие иллюстративные внутренние элементы компрессора, представленного на фиг. 1. В представленном варианте выполнения рама 14 иллюстративной компрессорной системы 10 содержит полый центральный корпус или кожух 22, который по существу ограничивает внутреннее пространство 24, в котором могут быть размещены различные внутренние элементы, например коленчатый вал 26. В одном варианте выполнения центральный корпус 22 может иметь по существу криволинейную или цилиндрическую форму. Однако следует отметить, что центральный корпус 22 может иметь другую форму или конструкцию в полном соответствии с данными техническими средствами.

[0022] При эксплуатации, привод 16 вращает коленчатый вал 26, установленный во внутреннем пространстве 24 рамы 14. В одном варианте выполнения коленчатый вал 26 соединен с ползунами 30 с помощью шатунов 28 и штифтов 32. Ползуны 30 расположены в направляющих 34 ползунов, по существу проходящих от центрального корпуса 22 и обеспечивающих соединение цилиндров 12 с компрессорной системой 10. В одном варианте выполнения компрессорная система 10 содержит две направляющих 34 ползуна, проходящих по существу перпендикулярно от противоположных сторон центрального корпуса или кожуха 22, хотя предусматриваются также и другие варианты конструкции. Следует понимать, что вращательное движение коленчатого вала 26 преобразуется с помощью шатунов 28 в линейное перемещение ползунов 30 по направляющим 34 ползунов.

[0023] Как указано выше, газ проходит через коаксиальное устройство 18 направления потока и попадает в цилиндры 12 для сжатия. Ползуны 32 соединены с поршнями 36, расположенными во внутренних камерах сжатия цилиндров 12, и возвратно-поступательное перемещение ползунов обеспечивает сжатие газа в камерах сжатия с помощью поршней 36. Более конкретно, при движении поршня 36 вперед (то есть наружу от центрального корпуса 22) в цилиндр 12, поршень 36 вталкивает текучую среду в цилиндре в меньший объем, тем самым увеличивая давление газа. Затем сжатый газ может покидать цилиндр 12 через клапан и поступать в коаксиальное устройство 18 направления потока. Коаксиальное устройство 18 направления потока позволяет сжатому газу покидать компрессорную систему 10 с минимальными потерями сжатия. Затем поршень 36 может перемещаться в обратном направлении, и новая порция газа может поступать в цилиндр 12 через коаксиальное устройство 18 направления потока и впускной клапан для сжатия таким же образом как указано ранее.

[0024] На фиг. 3 представлен вид в аксонометрии варианта выполнения коаксиального устройства 60 направления потока (например, тороидальной улитки). Как указано ранее, коаксиальное устройство 60 направления потока увеличивает эффективность компрессорной системы 10 благодаря своей геометрии и конфигурации (то есть позволяет текучей среде входить и выходить с малым сопротивлением). Более конкретно, коаксиальное устройство 60 направления потока уменьшает количество острых изгибов и углов, препятствующих потоку текучей среды, входящему в компрессорную систему 10 и выходящему из нее. Вместо острых изгибов проточный тракт в коаксиальном устройстве 60 направления потока плавно поворачивает или изгибается в направлении потока, то есть от осевого направления к радиальному направлению, или наоборот. В противоположность этому, увеличенное сопротивление потоку текучей среды уменьшает эффективность и увеличивает усилие, необходимое для перемещения текучей среды (то есть увеличивается работа компрессорной системы 10, затрачиваемая на перемещение текучей среды в систему 10 и из системы 10).

[0025] Коаксиальное устройство 60 направления потока содержит корпус 62, первую полость или проточный канал 64 (например, криволинейный кольцевой канал, например канал, имеющий форму бублика или тора), цилиндрический элемент 66 и вторую полость или проточный канал 68. Как показано, цилиндрический элемент 66 проходит в первую полость 64 и образует вторую полость или проточный канал 68. Как показано, канал 68 представляет собой центральный осевой канал, элемент 66 представляет собой кольцевую стенку, расположенную вокруг канала 68, а канал 64 представляет собой кольцевой канал, расположенный вокруг элемента 66. Как описано далее, элемент 66 можно охарактеризовать, как криволинейную кольцевую стенку, по существу ограничивающую криволинейный периметр, проходящий в окружном направлении вокруг центральной оси устройства 60, и ограничивающую криволинейный кольцевой наружный периметр канала 68 и криволинейный кольцевой внутренний периметр канала 64.

[0026] Текучая среда может поступать в коаксиальное устройство 60 направления потока и выходить из него через отверстия. В данном варианте выполнения коаксиальное устройство 60 направления потока имеет первое отверстие 70, второе отверстие 72, третье отверстие 74 и четвертое отверстие 76. Эти отверстия 70, 72, 74 и 76 работают в качестве входов и выходов для текучей среды, проходящей через коаксиальное устройство 60 направления потока и компрессорную систему 10. Отверстия 70, 72, 74 и 76 могут представлять собой входы или выходы в зависимости от того, как протекает текучая среда через компрессорную систему 10. Как показано, отверстие 70 является радиальным отверстием, а отверстия 72, 74 и 76 являются осевыми отверстиями. Кроме того, отверстия 74 и 76 являются центральными осевыми отверстиями, а отверстие 72 является кольцевым осевым отверстием, концентрическим с центральным осевым отверстием 74. При работе, имеющая первое давление текучая среда может поступать в компрессорную систему 10 и коаксиальное устройство 60 направления потока через отверстие 70 в радиальном направлении, как показано стрелкой 69. После прохождения текучей среды через первое отверстие 70 она поступает в первую полость или проточный канал 64 и протекает вокруг цилиндрического элемента 66 в окружном направлении 71 и/или осевом направлении 73. Первая полость или проточный канал 64 поворачивает (например, плавно изгибается или поворачивает) и направляет текучую среду к клапану (клапанам) 80, установленным в отверстии 72. Текучая среда проходит через клапан (клапаны) 80 и отверстие 72 таким образом, что происходит сжатие текучей среды компрессором 10. После сжатия текучей среды до второго давления она протекает обратно через клапан (клапаны) 80, в третье отверстие 74 и в цилиндрический элемент 66, то есть в канал 68. Далее текучая среда проходит через цилиндрический элемент 66 (то есть канал 68) в осевом направлении 75 и затем покидает коаксиальное устройство 60 направления потока через четвертое отверстие или выход 76.

[0027] В другом варианте выполнения текучая среда может поступать в компрессорную систему 10 и выходить из компрессорной системы 10 в порядке, противоположном описанному выше. Например, имеющая первое давление текучая среда может поступать в коаксиальное устройство 60 направления потока и компрессорную систему 10 через отверстие 76. Затем текучая среда может проходить через вторую полость или проточный канал 68 цилиндрического элемента 66, после чего текучая среда покидает канал 68 через отверстие 74. После выхода из отверстия 74 текучая среда поступает в клапан (клапаны) 80, установленные в отверстии 72. После сжатия клапан (клапаны) 80 направляют текучую среду, теперь имеющую второе давление, в первую полость или проточный канал 64. Первая полость или проточный канал 64 затем поворачивает и направляет текучую среду наружу из системы 10 через отверстие 70.

[0028] Как объяснено ранее, коаксиальное устройство 60 направления потока увеличивает эффективность компрессорной системы 10 благодаря эффективному направлению текучей среды, входящей и выходящей из системы 10. Текучая среда теряет импульс/энергию при столкновении с препятствием, изменяющим направление ее движения. Соответственно, по этой причине система может выполнять больше работы для компенсации потери текучей средой импульса при прохождении текучей среды вокруг препятствия (например, при поворотах и изгибах труб). Дополнительная работа увеличивает потребление/расход энергии системой, что уменьшает общую эффективность системы. Как видно на фиг. З, коаксиальное устройство 60 направления потока эффективно направляет текучую среду в двух направлениях 69 и 75 (то есть одно направление для входа в систему 10, а другое для выхода из нее). Более конкретно, коаксиальное устройство 60 направления потока обеспечивает движение текучей среды в двух направлениях (например, 69 и 75), и в то же время уменьшает количество поворотов, которые встречает текучая среда при прохождении через коаксиальное устройство 60 направления потока. В самом деле, коаксиальное устройство 60 направления потока поворачивает (например, с помощью плавного изгиба или поворота) текучую среду один раз (то есть меняет направление потока с радиального направления 69 на осевое направление 73 при прохождении текучей среды через первую полость или проточный канал 64), обеспечивая при этом возможность свободного протекания текучей среды во втором направлении (то есть в осевом направлении 75 через вторую полость или проточный канал 68). В результате, коаксиальное устройство 60 направления потока увеличивает эффективность компрессорной системы 10 благодаря направлению текучей среды в двух направлениях через один элемент и уменьшению препятствий потоку текучей среды.

[0029] Кроме того, коаксиальное устройство 60 направления потока увеличивает эффективность системы 10 благодаря уменьшению острых углов. Как показано, коаксиальное устройство 60 направления потока имеет наружную стенку 81 (например, кольцевую стенку), имеющую внутреннюю поверхность 82, окружающую первую полость или проточный канал. Внутренняя поверхность 82 улучшает прохождение текучей среды благодаря кольцевой закругленной основной части 84 (например, криволинейной кольцевой поверхности) и кольцевой наклонной поверхности 86 (например, криволинейной кольцевой поверхности). Как показано, закругленная основная часть 84 имеет u-образный или вогнутый профиль, проходящий в окружном направлении вокруг цилиндрического элемента 66 между элементом 66 и наружной стенкой 81. Наклонная поверхность 82 также проходит в окружном направлении вокруг цилиндрического элемента 66 и ее диаметр по существу увеличивается в осевом направлении 73. При работе, при поступлении текучей среды в коаксиальное устройство 60 направления потока через первое отверстие 70, кольцевая закругленная основная часть 84 направляет по окружности и поворачивает (например, плавно поворачивая) поток текучей среды к клапану (клапанам) 80, как показано стрелками 83. При прохождении текучей среды к клапану (клапанам) 80, наклонная поверхность 86 плавно направляет текучую среду в клапан (клапаны) 80. Соответственно, текучая среда не сталкивается с острыми углами или поверхностями, которые могут резко уменьшить ее импульс или остановить текучую среду. Аналогично, в вариантах выполнения, где текучая среда протекает в обратном направлении (то есть от клапана (клапанов) 80 в отверстие 70), внутренняя поверхность 82 улучшает движение текучей среды. Более конкретно, наклонная поверхность 86 позволяет текучей среде плавно перетекать в полость 64, при этом закругленная основная часть 84 направляет по окружности и поворачивает поток текучей среды к отверстию 70 и из коаксиального устройства 60 направления потока. Более того, как объяснено ранее, цилиндрический элемент 66 улучшает прохождение текучей среды благодаря обеспечению прямого пути для потока текучей среды (то есть без поворотов текучей среды) между отверстием 76 и клапаном (клапанами) 80. Кроме того, цилиндрический элемент 66 обеспечивает переходные зоны 88 и 90 для улучшения потока текучей среды в отверстиях 74 и 76. Более конкретно, переходная зона 88 улучшает поток текучей среды между диаметром 92 отверстия 76 и меньшим диаметром 94 в центральной части 98 цилиндрического элемента 66. А именно, переходная зона 88 ограничивает криволинейный кольцевой переход, который может быть описан, как закругленная наружу часть 85 и закругленная внутрь часть 87, проходящие в окружном направлении вокруг канала 68. Кроме того, переходная зона 90 обеспечивает плавный переход между диаметром 94 и имеющим больший размер диаметром 96 отверстия 74. Также и в этом случае, отверстие 90 ограничивает криволинейный кольцевой переходный участок, который может быть описан как закругленная наружу и/или внутрь часть 89, проходящая в окружном направлении вокруг канала 68. Соответственно, при прохождении через вторую полость или проточный канал 68 текучая среда не сталкивается с резко изогнутыми поверхностями, которые могут уменьшить ее импульс или остановить текучую среду.

[0030] Коаксиальное устройство 60 направления потока герметично соединено с трубопроводами текучей среды и с компрессорной системой 10 с помощью фланцев 100, 102 и 104. Как объяснено ранее, отверстия 70 и 76 могут работать либо как входы, либо как выходы. Соответственно, фланец 100 может соединяться с трубопроводом, подающим текучую среду, при этом фланец 102 соединяется с трубопроводом, выпускающим текучую среду из компрессорной системы 10. В других вариантах выполнения фланец 102 может соединяться с подачей текучей среды, а фланец 100 соединяется с трубопроводом, выпускающим текучую среду из компрессорной системы 10. Фланец 104 соединяет коаксиальное устройство 60 направления потока с цилиндром 12 сжатия и обеспечивает возможность клапану (клапанам) 80, установленному в отверстии 72, герметично разделять первую полость 64 и вторую полость 68, предотвращая смешивание текучей среды, имеющей первое давление, с текучей средой, имеющей второе давление. Более конкретно, клапан (клапаны) 80 герметично прижаты к внутренней поверхности 82 коаксиального устройства 60 направления потока и уплотнению 106, установленному в выемке 108 для уплотнения, окружающей отверстие 74. Таким образом клапан (клапаны) 80 предотвращает контакт текучей среды, находящейся в первой полости 64, с текучей средой, находящейся во второй полости 68.

[0031] На фиг. 4 представлен вид в разрезе коаксиального устройства 130 направления потока (например, тороидальной улитки), проточно сообщающегося с цилиндром 132 сжатия с помощью концентрического клапана 134. Как показано, коаксиальное устройство 130 направления потока обеспечивает возможность использования системой 10 концентрического клапана 134, и благодаря этому перемещения текучей среды в цилиндр сжатия и из него с помощью одного клапана. Кроме того, коаксиальное устройство 130 направления потока обеспечивает возможность легкой замены различных типов клапанов между улиткой 130 и цилиндром 132 сжатия в системе 10. Как объяснено ранее, коаксиальное устройство 130 направления потока содержит корпус 136 и цилиндрический элемент 138. Цилиндрический элемент 138 проходит через первую полость или проточный канал 140 в корпусе 136. Улитка 130 обеспечивает возможность входа и выхода текучей среды из отверстий 142, 144 и 146. В настоящем варианте выполнения текучая среда поступает в улитку 130 через отверстие 144. После прохождения отверстия 144, текучая среда входит во вторую полость или проточный канал 148 в цилиндрическом элементе 138. Как показано стрелкой 143, цилиндрический элемент 138 направляет текучую среду через поточный канал 148 и в концентрический клапан 134. Как показано стрелкой 145, концентрический клапан 134 установлен в отверстии 146 и позволяет текучей среде покидать улитку 130 и поступать в цилиндр 132 сжатия. В цилиндре 132 сжатия компрессорная система 10 сжимает имеющую первое давление текучую среду до второго давления. Сжатие текучей среды до второго давления заставляет текучую среду проходить обратно через концентрический клапан 134 и в улитку 130, как показано стрелкой 147. Однако концентрический клапан 134 выпускает текучую среду в первую полость или проточный канал 140, а не во вторую полость или проточный канал 148. Первая полость 140 затем направляет текучую среду из улитки 130 наружу через отверстие 142, как показано стрелкой 149.

[0032] В другом варианте выполнения текучая среда может протекать через улитку 130 в противоположном направлении. А именно, текучая среда может поступать через отверстие 142 и проходить через полость 140 и концентрический клапан 134 в цилиндр 132 сжатия. Цилиндр 132 сжатия может затем сжимать текучую среду, направляя ее обратно через концентрический клапан 134 и во вторую полость 148 в цилиндрическом элементе 138, где текучая среда покидает улитку 130 через отверстие 144.

[0033] На фиг. 5 представлен вид в разрезе коаксиального устройства 130 направления потока (например, тороидальной улитки), проточно сообщающегося с цилиндром 132 сжатия через несколько выпускных и впускных клапанов 160. Как указано ранее, коаксиальное устройство 130 направления потока позволяет легко заменять различные типы клапанов между улиткой 130 и цилиндром 132 сжатия в системе 10. В показанной на фиг. 4 системе 10 используется концентрический клапан 134, а в системе, показанной на фиг. 5, используются впускные и выпускные клапаны 160. В других вариантах выполнения в компрессорной системе 10 может быть использована пластина с односторонними обратными клапанами (например, тарельчатыми клапанами) между улиткой 130 и цилиндром 132 сжатия. Как объяснено выше, текучая среда поступает в улитку 130 через отверстие 144. После прохождения через отверстие 144 текучая среда поступает во вторую полость или проточный канал 148 в цилиндрическом элементе 138, как показано стрелкой 143. Цилиндрический элемент 138 направляет текучую среду через улитку 130 к всасывающему клапану 162. Всасывающий клапан 162 позволяет текучей среде выйти из улитки 130 и войти в цилиндр 132 сжатия, как показано стрелкой 145. В цилиндре 132 сжатия компрессорная система 10 сжимает имеющую первое давление текучую среду до второго давления, и затем выпускает имеющую второе давление текучую среду через один или более выпускных клапанов 164, как показано стрелками 147. Как показано, система 10 имеет один кольцевой выпускной клапан 164, расположенный коаксиально или концентрически вокруг клапана 162. Однако в других вариантах выполнения улитка 130 может иметь выпускные клапаны 164, расположенные на расстоянии друг от друга по окружности вокруг цилиндрического элемента 138 в отверстии 146. Выпускной клапан (клапаны) 164 позволяет текучей среде покидать цилиндр 132 сжатия и поступать в улитку 130. Однако выпускной клапан (клапаны) 164 выпускает текучую среду в первую полость или проточный канал 140, а не во вторую полость или проточный канал 148. Затем первая полость 140 направляет текучую среду из улитки 130 через отверстие 142, как показано стрелкой 149.

[0034] В другом варианте выполнения текучая среда может проходить через улитку 130 в противоположном направлении. В варианте выполнения с обратной конфигурацией потока впускной и выпускной клапаны меняются местами. А именно, текучая среда может поступать через отверстие 142 и проходить через полость 140 и всасывающий клапан (клапаны) в цилиндр 132 сжатия. Затем цилиндр 132 сжатия может сжимать текучую среду, направляя ее через выпускные клапаны во вторую полость 148 в цилиндрическом элементе 138, откуда текучая среда покидает улитку 130 через отверстие 144.

[0035] На фиг. 6 представлен вид в разрезе поршня 180 в первом положении, втягивающего текучую среду через коаксиальное устройство 182 направления потока (например, тороидальную улитку) в цилиндр сжатия 184 согласно варианту выполнения. Коаксиальное устройство 182 направления потока увеличивает эффективность компрессорной системы 10 благодаря уменьшению мертвого объема в полости 185 цилиндра 184 сжатия (то есть объема цилиндра сжатия, который остается не задействованным поршнем). Как показано, коаксиальное устройство 182 направления потока соединяет клапан (клапаны) 186 с концом 188 цилиндра 184 сжатия и удерживает указанные клапаны в нем. Благодаря расположению клапана 186 на конце 188 цилиндра 184, поршень 180 может сжимать и вытеснять по существу всю текучую среду между поршнем и клапаном (клапанами) 186 из полости 185.

[0036] Как объяснено выше, на фиг. 6 показан поршень 180 в первом положении. В первом положении текучая среда поступает в коаксиальное устройство 182 направления потока через впуск 190 в первую полость или проточный канал 192. Как показано стрелкой 191, текучая среда проходит через полость 192 и через клапан (клапаны) 186 в полость 185 цилиндра 184 сжатия для сжатия поршнем 180. На фиг. 7 показан поршень во втором положении. При перемещении поршня 180 из первого положения во второе положение, поршень 180 сжимает текучую среду и вытесняет ее из цилиндра 184 сжатия, как показано стрелкой 197. Когда текучая среда покидает цилиндр 184 сжатия, она проходит через клапан (клапаны) 186 в цилиндрический элемент 196. Импульс текучую среду проводит ее через вторую полость или проточный канал 198 цилиндрического элемента 196 и затем из коаксиального устройства 182 направления потока через выпуск 200. Как показано на фиг. 7, при достижении поршнем 180 второго положения, поршень 180 может вытеснить всю или по существу всю текучую среду из цилиндра 184 сжатия. Таким образом, каждый ход поршня 180 более эффективно перемещает текучую среду в системе 10. Более того, коаксиальное устройство 182 направления потока обеспечивает эту эффективность благодаря протеканию потока в цилиндр 184 сжатия и из цилиндра 184 сжатия через один конец (то есть 188) указанного цилиндра.

[0037] На фиг. 8 представлен вид сбоку иллюстративного узла 220 тарельчатого клапана. Как показано на фиг. 8, узел 220 тарельчатого клапана содержит тарельчатый клапан 222, корпус 224 с крепежной частью, например, с резьбовой поверхностью 226, которая позволяет устанавливать узел 220 тарельчатого клапана в пластину. Узел 220 тарельчатого клапана также может содержать крышку 228 и уплотнительную втулку 230, соединенную с корпусом 224. В таком варианте выполнения тарельчатый клапан 222 может открываться и закрываться относительно уплотнительной втулки 230 для избирательного управления однонаправленным потоком текучей среды через корпус 224, и, следовательно, потоком, входящим в описанную ранее тороидальную улитку, и выходящим из указанной улитки.

[0038] При том, что допускаются различные изменения и альтернативные формы изобретения, конкретные варианты выполнения показаны на чертежах и подробно описаны в настоящем документе. Однако следует понимать, что изобретение не ограничено показанными конкретными формами. Напротив, изобретение охватывает все модификации, эквиваленты и альтернативы, подпадающие под сущность и объем изобретения, определенные в приложенной формуле изобретения.

Изобретение относится к области компрессоростроения, в частности к поршневым компрессорам. Система содержит компрессор, имеющий цилиндр, содержащий камеру, первую осевую концевую часть и вторую осевую концевую часть. Поршень расположен в камере цилиндра и выполнен с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль оси цилиндра между первой осевой концевой частью и второй осевой концевой частью. Коаксиальное устройство направления потока соединено с компрессором и имеет первую стенку, расположенную вокруг первого канала вдоль оси. Второй канал расположен вокруг первой стенки вдоль оси. Вторая стенка расположена вокруг второго канала вдоль оси. Первый канал содержит первое осевое отверстие, сообщающееся с камерой при перемещении поршня в первом осевом направлении. Второй канал содержит второе осевое отверстие, сообщающееся с камерой при перемещении поршня во втором осевом направлении, противоположном первому осевому направлению. Коаксиальное устройство направления потока увеличивает эффективность компрессорной системы. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Система, содержащая компрессор, имеющий цилиндр, содержащий камеру, первую осевую концевую часть и вторую осевую концевую часть, и поршень, расположенный в камере цилиндра и выполненный с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль оси цилиндра между указанными первой осевой концевой частью и второй осевой концевой частью, и коаксиальное устройство направления потока, соединенное с компрессором и имеющее центральный канал и кольцевой канал, которые разделены кольцевой стенкой, при этом центральный канал ограничен внутренней поверхностью указанной кольцевой стенки и имеет первое отверстие, проточно сообщающееся с камерой при перемещении поршня в первом направлении, второе отверстие, находящееся напротив первого отверстия, так что первое и второе отверстия расположены на противоположных концевых частях центрального канала, и среднюю часть, проходящую между первым отверстием и вторым отверстием, при этом внутренняя поверхность кольцевой стенки имеет закругленную наружу часть, примыкающую к указанному первому отверстию, и содержит первый сужающийся кольцевой переходный участок у первого отверстия и второй сужающийся кольцевой переходный участок у второго отверстия, так что диаметр средней части меньше диаметров первого и второго отверстий, причем кольцевой канал расположен между наружной поверхностью кольцевой стенки и внутренней поверхностью наружной стенки и содержит U-образную основную часть и третье отверстие, проточно сообщающееся с камерой при перемещении поршня во втором направлении.

2. Система по п. 1, дополнительно содержащая пластину, расположенную между коаксиальным устройством направления потока и компрессором и содержащую первый односторонний клапан, расположенный с примыканием к первому отверстию, и второй односторонний клапан, расположенный с примыканием к третьему отверстию.

3. Система по п. 1, в которой U-образная основная часть является искривленной поверхностью с одной вогнутостью, проходящей от наружной поверхности кольцевой стенки к внутренней поверхности наружной стенки.

4. Система по п. 1, в которой кольцевая стенка и наружная стенка являются концентрическими стенками.

5. Система по п. 1, в которой первое отверстие представляет собой первое центральное осевое отверстие, второе отверстие представляет собой второе центральное осевое отверстие, а третье отверстие представляет собой кольцевое осевое отверстие, расположенное вокруг первого центрального осевого отверстия.

6. Система по п. 1, в которой кольцевой канал содержит радиальное отверстие, проходящее через наружную стенку.

7. Система по п. 1, дополнительно содержащая клапанный узел, расположенный между поршнем и первым и третьим отверстиями.

8. Система по п. 1, содержащая привод, соединенный с компрессором.

9. Система по п. 7, в которой клапанный узел содержит первый клапан, расположенный между первым отверстием и поршнем, и второй клапан, расположенный между третьим отверстием и поршнем, причем центральная ось центрального канала проходит через указанный первый клапан.

10. Система по п. 9, в которой первый клапан представляет собой первый односторонний клапан, а второй клапан представляет собой второй односторонний клапан, причем первый и второй односторонние клапаны выполнены с возможностью обеспечения протекания потока в противоположных направлениях.

11. Система, содержащая компрессор, имеющий цилиндр и камеру, расположенную внутри указанного цилиндра, клапанный узел, содержащий первый односторонний клапан и второй односторонний клапан, причем первый односторонний клапан выполнен с обеспечением возможности протекания потока текучей среды в первом осевом направлении, а второй односторонний клапан выполнен с обеспечением возможности протекания потока текучей среды во втором осевом направлении, противоположном первому осевому направлению, и коаксиальное устройство направления потока, содержащее наружную стенку, имеющую первую внутреннюю поверхность и первую наружную поверхность, кольцевую стенку, имеющую вторую внутреннюю поверхность и вторую наружную поверхность, центральный канал, ограниченный второй внутренней поверхностью и имеющий первое отверстие, имеющее первый диаметр, второе отверстие, имеющее второй диаметр, и среднюю часть, проходящую между первым отверстием и вторым отверстием и имеющую третий диаметр, причем указанная внутренняя поверхность имеет первый криволинейный кольцевой переходный участок, проходящий между указанной средней частью и первым отверстием, и второй криволинейный кольцевой переходный участок, проходящий между указанной средней частью и вторым отверстием, и кольцевой канал между первой внутренней поверхностью и второй наружной поверхностью, имеющий U-образную основную часть и третье отверстие, причем U-образная основная часть проходит от первой внутренней поверхности ко второй наружной поверхности.

12. Система по п. 11, в которой первое отверстие, второе отверстие и средняя часть центрального канала выровнены по оси.

13. Система по п. 11, в которой наружная стенка содержит радиальное отверстие.

14. Способ, в котором обеспечивают возвратно-поступательное перемещение поршня в цилиндре компрессора в первом и втором осевых направлениях между первой и второй осевыми концевыми частями, причем текучая среда протекает через центральный канал, ограниченный внутренней поверхностью кольцевой стенки, при движении поршня в первом осевом направлении, так что текучая среда проходит через первое отверстие, имеющее первый диаметр, второе отверстие, имеющее второй диаметр, и среднюю часть, имеющую третий диаметр, и текучая среда протекает через кольцевой канал, ограниченный внутренней поверхностью наружной стенки и наружной поверхностью кольцевой стенки, при движении поршня во втором осевом направлении, так что текучая среда проходит через радиальное отверстие в наружной стенке кольцевого канала, между закругленной наружу частью кольцевой стенки и наклонной внутрь поверхностью наружной стенки, а также через третье отверстие.

15. Способ по п. 14, в котором текучая среда протекает в первом направлении через первый односторонний клапан, расположенный с примыканием ко второму отверстию, и текучая среда протекает во втором направлении через второй односторонний клапан, примыкающий к третьему отверстию.

16. Способ по п. 15, в котором первое направление противоположно второму направлению.