Поршневой компрессор с жидкостным поршнем Российский патент 2024 года по МПК F04B35/02 

Изобретение относится к области компрессорной техники, а именно, к поршневым компрессорам с жидкостным поршнем.

Из уровня техники широко известны и повсеместно применяются поршневые компрессоры, содержащие цилиндр, крышку и размещённый в цилиндре поршень, образующие замкнутую рабочую камеру, камеры всасывания и нагнетания, а также клапаны всасывания и нагнетания; при этом рабочая камера через клапан всасывания сообщается с камерой всасывания, а через клапан нагнетания - с камерой нагнетания (см. Пластинин П.И. Поршневые компрессоры. Т.1. Теория и расчёт / 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Колос, 2000. - 456 с [стр. 154]; Френкель М.И. Поршневые компрессоры. Теория, конструкции и основы проектирования. - М.: Машиностроение, 1969. - 744 с [стр. 205-206].

Известные устройство в котором за счёт возвратно-поступательного движения поршня в рабочей камере обеспечивают циклическое изменение величины её объёма от максимального до минимального и от минимального до максимального и, соответственно, реализацию циклически повторяющихся процессов: обратного расширения и всасывания, которые осуществляются при движении поршня в рабочей камере, сопровождающемся увеличением объёма рабочей камеры; и процессы сжатия и нагнетания - при движении поршня в рабочей камере, сопровождающемся уменьшением объёма рабочей камеры. В процессах сжатия, нагнетания и обратного расширения клапаны всасывания закрыты. При этом в процессах сжатия, нагнетания и обратного расширения через зазоры в проточной части закрытого клапана всасывания имеют место интенсивные утечки газа из рабочей камеры в камеру всасывания. (см. Пластинин П.И. Поршневые компрессоры. Т.1. Теория и расчёт / 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Колос, 2000. - 456 с [стр. 44 - 57], Бусаров С.С., Кобыльский Р.Э., Синицын Н.Г. Теоретическая оценка возможности уменьшения массовых утечек рабочей среды из камеры поршневого компрессора // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2022, № 2. С. 101-111).

Основным недостатком известных устройства является то, что при их реализации в процессах сжатия, нагнетания и обратного расширения через зазоры в проточной части закрытого клапана всасывания имеют место интенсивные утечки газа из рабочей камеры в камеру всасывания. Это приводит к снижению массы газа в рабочей камере и подаваемой из неё в процессе нагнетания потребителю, то есть к снижению действительной производительности компрессора. Кроме того, горячий газ, попадающий через зазоры в закрытом клапане всасывания, в камеру всасывания, повышает среднюю температуру газа в камере всасывания, что приводит к снижению его плотности и к снижению массы газа, заполняющего впоследствии рабочую камеру в процессе всасывания, то есть к ещё большему снижению производительности (см. Пластинин П.И. Поршневые компрессоры. Т.1. Теория и расчёт / 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Колос, 2000. - 456 с [стр. 44, 53 - 57]).

Из уровня техники известны и применяются поршневые машины объёмного действия, содержащие цилиндр и размещённый в ней поршень, образующие замкнутую рабочую камеру, камеры всасывания и нагнетания, а также органы газораспределения, выполненные в виде специальных окон (проточек). Причём окна (проточки) могут быть расположены на стенке цилиндра и перекрываться поршнем на части хода, то есть могут быть изолированы поршнем от рабочей камеры на части хода поршня (патент RU 154841, опубликовано 10.09.2015).

Известные устройство обеспечивают реализацию циклически повторяющихся процессов, аналогичных вышеописанному. Отличительной особенностью при этом является то, что окно всасывания и камера всасывания изолированы от рабочей камеры на части хода поршня. Это позволяет снизить утечки газа из рабочей камеры в камеру всасывания на части хода поршня и повысить производительность данного устройства.

Однако известные устройство не могут быть реализованы при использовании в качестве поршня жидкости, так как в начале процесса сжатия жидкость будет вытесняться из рабочей камеры в камеру всасывания через окна (проточки), которые постоянно открыты, то есть реализация рабочих процессов компрессора и его рабочего цикла в целом будет невозможна.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению в части устройства является поршневой компрессор с жидкостным поршнем, содержащий цилиндр, крышку и размещённый в цилиндре жидкостной поршень, образующие замкнутую рабочую камеру, камеры всасывания и нагнетания, а также самодействующие клапаны всасывания и нагнетания; при этом рабочая камера через клапан всасывания сообщается с камерой всасывания, а через клапан нагнетания - с камерой нагнетания (см. патент Компрессор с жидкостными поршнями, RU 2772010, опубликован 16.05.2022 Бюл. № 14).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является поршневой компрессор с жидкостным поршнем, работа которого заключается в циклически повторяющихся процессах: всасывания газа из камеры всасывания в рабочую камеру через клапаны всасывания; сжатия газа в рабочей камере; нагнетания газа (то есть выталкивания газа из рабочей камеры в камеру нагнетания через клапан нагнетания); обратного расширения газа, оставшегося в рабочей камере в конце процесса нагнетания.

Известные устройство обеспечивают реализацию процессов: обратного расширения и всасывания, которые осуществляются при движении жидкостного поршня в рабочей камере, сопровождающемся увеличением объёма рабочей камеры; а процессы сжатия и нагнетания - при движении жидкостного поршня в рабочей камере, сопровождающемся уменьшением объёма рабочей камеры. В процессах сжатия и обратного расширения все клапаны закрыты. При этом в конце процесса сжатия открывается клапан нагнетания под воздействием дополнительного перепада давления между камерой нагнетания и камерой всасывания и происходит процесс нагнетания; в конце процесса нагнетания клапан нагнетания закрывается под воздействием упругого элемента, входящего в состав его конструкции. А в конце процесса обратного расширения под воздействием дополнительного перепада давления между рабочей камерой и камерой всасывания (то есть за счёт разряжения в рабочей камере) открывается клапан всасывания и происходит процесс всасывания, в конце которого клапан всасывания автоматически закрывается под воздействием упругого элемента, входящего в состав его конструкции. При этом, как и в описанных выше аналогах, имеют место утечки рабочего газа через зазоры в проточной части закрытого клапана всасывания из рабочей камеры в камеру всасывания, а также притечки газа через зазоры в проточной части закрытого клапана нагнетания в рабочую камеру из камеры нагнетания. Это приводит к снижению действительной производительности компрессора.

При этом, по сравнению с описанными выше аналогами, полностью ликвидируются утечки газа из рабочей камеры через неплотности (зазоры) между поршнем и стенками цилиндра, так как при использовании жидкостного поршня эти зазоры отсутствуют. Это обеспечивает более высокие энергетические характеристики поршневого компрессора, в том числе производительность, по сравнению с описанными выше аналогами.

Однако основным недостатком известных устройства остаются высокие потери производительности за счёт утечек газа через зазоры в проточной части закрытого клапана всасывания, которые могут составлять до 50% от всех потерь производительности, обусловленных негерметичностью рабочей камеры (Бусаров С.С. Оценка негерметичности самодействующих клапанов с эластомерными конструктивными элементами и её влияния на рабочий процесс тихоходных поршневых компрессорных ступеней / С.С. Бусаров, В.Л. Юша, И.С. Бусаров, В.К. Васильев // Компрессорная техника и пневматика. - 2018. - №3. - С.9 - 13.).

Технической задачей является устранение указанных недостатков и создание устройства, конструкция которого полностью исключает утечки газа через зазоры в проточной части закрытого клапана всасывания из рабочей камеры в камеру всасывания в процессах нагнетания и обратного расширения и частично - в процессе сжатия. Технический результат заключается в повышении производительности поршневого компрессора с жидкостным поршнем.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается в части устройства тем, что в поршневом компрессоре с жидкостным поршнем, содержащем камеры всасывания и нагнетания, цилиндр, крышку и размещённый в цилиндре жидкостной поршень, образующие замкнутую рабочую камеру, а также клапан всасывания, сообщающий рабочую камеру с камерой всасывания, и клапан нагнетания, сообщающий рабочую камеру с камерой нагнетания, клапан всасывания размещён на цилиндрической стенке рабочей камеры на расстоянии Х* от крышки цилиндра так, что он полностью перекрывается поршнем на части его хода. Расстояние Х* может определяться из соотношения Х* = Sм×(Рн/Рвс)^1/m, где m - показатель политропы обратного расширения газа; Рн - давление нагнетания - Па; Рвс - давление всасывания, Па; Хм - линейная величина мёртвого объёма.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счёт того, что работа поршневого компрессора с жидкостным поршнем, заключающемся в последовательно протекающих в рабочей камере компрессора процессах всасывания, сжатия, нагнетания и обратного расширения газа, при которых в процессе всасывания открыт самодействующий клапан всасывания и свежая порция газа поступает в рабочую камеру из камеры всасывания, а в процессе нагнетания открыт самодействующий клапан нагнетания и газ выталкивается из рабочей камеры в камеру нагнетания, в процессах обратного расширения, нагнетания и на части процесса сжатия клапан всасывания полностью изолирован от рабочей камеры.

На фиг.1 показана принципиальная схема предлагаемого поршневого компрессора с жидкостным поршнем.

На фиг. 2 показаны сравнительные схематизированные индикаторные диаграммы, реализуемые в прототипе и в предлагаемом поршневом компрессоре с жидкостным поршнем.

На фиг. 3 схематизированная индикаторная диаграмма, реализуемая в предлагаемом поршневом компрессоре с жидкостным поршнем, при условии расположения клапана всасывания - Х* > Х**.

На фиг. 4 схематизированная индикаторная диаграмма, реализуемая в предлагаемом поршневом компрессоре с жидкостным поршнем, при условии расположения клапана всасывания - Х* < Х**.

Предлагаемый компрессор с жидкостным поршнем состоит из цилиндра 1, крышки 2 и размещённого в цилиндре жидкостного поршня 3, образующих рабочую камеру 4, камеры всасывания 5 и клапана всасывания 6, размещённых на стенке цилиндра 1, камеры нагнетания 7 и клапана нагнетания 8, размещённых на крышке 2 (Фиг.1). Здесь А - жидкостной поршень в положении при максимальном объёме рабочей камеры; Б - жидкостной поршень в положении при минимальном объёме рабочей камеры; Рн - давление в камере нагнетания; Рвс - давление в камере всасывания; Sм - линейный мёртвый объём; Sп - ход поршня; Х* - расстояние от клапана всасывания до крышки цилиндра. На части хода жидкостного поршня 3 клапан всасывания 6 полностью изолирован от рабочей камеры 4 (например, при положении Б жидкостного поршня 3). Жидкостной поршень 3 сообщается с приводом, обеспечивающим его возвратно-поступательное движение; на представленной схеме условно не показан (например, с насосной системой, аналогичной насосной системе прототипа (см. патент Компрессор с жидкостными поршнями, RU 2 772010, опубликован 16.05.2022 Бюл. № 14)).

Предлагаемый поршневой компрессор с жидкостным поршнем работает следующим образом.

При положении А поршня 3 в цилиндре 1, соответствующем максимальному объёму рабочей камеры 4 (фиг. 1), поршень 3 под воздействием привода начинает движение, обеспечивающее уменьшение объёма рабочей камеры 4. При этом происходит процесс сжатия: газ, находящийся в рабочей камере 4, сжимается, то есть повышается его давление. На начальном участке процесса сжатия, когда давление газа в рабочей камере ещё невысокое (участок 1 - 1* на фиг.2), происходят незначительные утечки газа из рабочей камеры 4 в камеру всасывания 5. Эти утечки незначительны, так как величина массы перетекающего газа зависит от разности между давлением в рабочей камере 4 и давлением в камере всасывания 5 (см. Пластинин П.И. Поршневые компрессоры. Т.1. Теория и расчёт / 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Колос, 2000. - 456 с [стр. 138]), а на участке 1 - 1* этот перепад незначителен. При последующем уменьшении объёма рабочей камеры 4 происходит дальнейшее повышение давления газа в процессе сжатия на участке 1* - 2 (фиг. 2) и затем происходит выталкивание газа из рабочей камеры 4 в камеру нагнетания 7 через клапан нагнетания 8 при постоянном высоком давлении нагнетания (участок 2 - 3 на фиг.2). При этом на участках 1* - 2 - 3 клапан всасывания 6 перекрывается жидкостным поршнем 3 и полностью изолируется от рабочей камеры 4, что полностью исключает утечки газа из рабочей камеры 4 в камеру всасывания 5 в процессе нагнетания и на завершающей части процесса сжатия. После достижения величиной объёма рабочей камеры 4 своего минимального значения, то есть при положении Б поршня 3 (соответствующего величине мёртвого объёма, который может характеризоваться величиной так называемого линейного мёртвого объёма Sм (см. Пластинин П.И. Поршневые компрессоры. Т.1. Теория и расчёт / 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Колос, 2000. - 456 с [стр. 45])), жидкостной поршень 3 под воздействием привода изменяет направление своего движения, и объём рабочей камеры 4 начинает увеличиваться. При этом в рабочей камере 4 начинается процесс обратного расширения газа из мёртвого объёма (участок 3 - 4 на фиг.2), причём клапан всасывания 6 по-прежнему перекрывается жидкостным поршнем 3 и полностью изолируется от рабочей камеры 4, что полностью исключает утечки газа из рабочей камеры 4 в камеру всасывания 5 в процессе обратного расширения. После окончания процесса обратного расширения начинается процесс всасывания (участок 4 - 1 на фиг.2), при котором клапан всасывания 6 открыт и газ из камеры всасывания 5 поступает в рабочую камеру 4.

В дальнейшем рабочий цикл компрессора повторяется.

Полное исключение утечек газа из рабочей камеры 4 в камеру всасывания 5 через зазоры в закрытом клапане всасывания 6 в процессах нагнетания и обратного расширения, а также частичное - в процессе сжатия, позволяет увеличить действительную производительность поршневого компрессора с жидкостным поршнем.

Для наглядности на Фиг. 2 представлены индикаторные диаграммы прототипа (цикл 1 -2 - 3 - 4 - 1, где изображены процесс сжатия 1 - 2, процесс нагнетания 2 - 3, процесс обратного расширения 3 - 4 и процесс всасывания 4 - 1) и предлагаемого поршневого компрессора (цикл 1 - 1* - 2 - 3 - 4 - 1, где изображены процесс сжатия 1 - 2 (с участками 1 - 1* и 1* - 2), процесс нагнетания 2 - 3, процесс обратного расширения 3 - 4 и процесс всасывания 4 - 1). Здесь Рн - давление в камере нагнетания; Рвс - давление в камере всасывания; Sм - линейный мёртвый объём; Sп - ход поршня; Х - расстояние от клапана всасывания 6 до крышки 2 у прототипа (Х < Sм или Х ≈ Sм); Х* - расстояние от клапана всасывания 6 до крышки 2 у предлагаемого технического решения (Х* > Sм). Кроме этого, на Фиг. 3, 4 представлены сравнительные индикаторные диаграммы предлагаемого поршневого компрессора, на которых клапан всасывания 6 расположен в одном случае на расстоянии Х* от крышки 2, а в другом - на расстоянии Х**, то есть в одном случае реализуется цикл 1 - 1* - 2 - 3 - 4 - 1, а в другом - цикл 1 - 1** - 2 - 3 - 4 - 1 (фиг.3), либо цикл 1 - 1** - 2 - 3 - 4 - а - б - 1 (фиг.4).

Сравнение диаграмм, представленных на фиг. 2, наглядно показывает, что в предлагаемом техническом решении в процессах нагнетания 2 - 3, обратного расширения 3 - 4, а также на участке 1* - 2 процесса сжатия утечки газа из рабочей камеры 4 в камеру всасывания 5 через зазоры в закрытом клапане всасывания 6 физически невозможны, так как клапан всасывания 6 на указанных участках рабочего цикла полностью изолирован от рабочей камеры 4 жидкостным поршнем 3. Тогда как в прототипе в течение всех процессов нагнетания 2 - 3, обратного расширения 3 - 4, сжатия 1 - 2 имеют место интенсивные утечки газа из рабочей камеры 4 в камеру всасывания 5 через зазоры в закрытом клапане всасывания 6. То есть утечки в прототипе происходят в течение существенно более длительного времени, чем в предлагаемом техническом решении.

Анализ и сравнение диаграмм, представленных на фиг. 3, 4 наглядно показывает, что в предлагаемом техническом решении в процессах нагнетания 2 - 3, обратного расширения 3 - 4, а также на участке 1* - 2 или 1** - 2 процесса сжатия утечки газа из рабочей камеры 4 в камеру всасывания 5 через зазоры в закрытом клапане всасывания 6 физически невозможны, так как клапан всасывания 6 на указанных участках рабочего цикла полностью изолирован от рабочей камеры 4 жидкостным поршнем 3. Это имеет место как в том случае, когда клапан всасывания 6 расположен на расстоянии Х* от крышки 2, так и в том случае, когда клапан всасывания 6 расположен на расстоянии Х** от крышки 2, то есть и в случае реализации цикла 1 - 1* - 2 - 3 - 4 - 1, и в случае реализации цикла 1 - 1** - 2 - 3 - 4 - 1 (фиг. 3) или цикла 1 - 1** - 2 - 3 - 4 - а - б - 1 (фиг. 3).

Однако в случае, когда Х* > Х** (фиг. 3), очевидно, что утечки в процессе сжатия 1 - 1* - 2 меньше, чем в процессе сжатия 1 - 1** - 2 (так как длительность процесса сжатия на участке 1 - 1* меньше, чем длительность процесса сжатия на участке 1 - 1**). А в случае, когда Х* < Х** (фиг. 4), очевидно, что при процессе сжатия 1 - 1* - 2 индикаторные потери мощности рабочего цикла 1 - 1* - 2 - 3 - 4 - 1 (которые пропорциональны площади индикаторной диаграммы (см. Пластинин П.И. Поршневые компрессоры. Т.1. Теория и расчёт / 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Колос, 2000. - 456 с [стр. 21-22, 59-68])) меньше, чем индикаторные потери мощности рабочего цикла 1 - 1** - 2 - 3 - 4 - а - б - 1 при процессе сжатия 1 - 1** - 2 (за счёт излишних потерь индикаторной мощности в начале процесса всасывания, пропорциональных площади фигуры 4 - а - б - 4). Кроме того, в последнем случае возможен и преждевременный прорыв газа из камеры всасывания 5 в рабочую 4 камеру через слой жидкости, что может привести к вспениванию, барботажу и другим нестационарным явлениям, разрушающим жидкостной поршень 3 и ведущим к отклонению и работы клапана всасывания, и рабочего процесса в целом от расчётного; это ведёт не только к снижению энергоэффективности рабочего процесса компрессора, но и к снижению его надёжности. Таким образом, наиболее предпочтительным вариантом реализации предлагаемого технического решения является вариант, при котором реализуется рабочий цикл 1 - 1* - 2 - 3 - 4 - 1, а клапан всасывания 6 расположен на расстоянии Х* от крышки 2.

Расстояние Х* можно определить по известным политропным зависимостям (например, Поршневые компрессоры /Б.С. Фотин, И.Б. Пирумов, И.К. Пластинин, П.И. Прилуцкий - Л.: Машиностроение, 1987. - 372 с. [стр. 123]), согласно которым, применительно к схемам и индикаторным диаграмма на фиг.1, 2:

Рн = Рвс × Х*^m/ Sм^m, (1)

где m - показатель политропы процесса обратного расширения (показатель политропы конечных параметров, величина которого может быть определена по рекомендациям в Пластинин П.И. Поршневые компрессоры. Т.1. Теория и расчёт / 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Колос, 2000. - 456 с [стр. 42 - 43]).

Откуда следует, что

Х* = Sм×(Рн/Рвс)^1/m. (2)

В предлагаемой конструкции поршневого компрессора с жидкостным поршнем полностью исключаются утечки газа из рабочей камеры в камеру всасывания через зазоры в проточной части клапана всасывания в процессах нагнетания и обратного расширения, и частично - в процессе сжатия. При этом снижаются потери производительности компрессора. Кроме того, значительное снижение массы горячего газа, поступающего из рабочей камеры в камеру всасывания, снижает подогрев газа в камере всасывания, обеспечивая его более низкую среднюю температуру, что также снижает потери производительности.

Следует отметить, что предлагаемое техническое решение трудно или даже невозможно реализовать в известных и широко распространённых поршневых компрессорах с твёрдотельным поршнем, снабжённым цилиндропоршневым уплотнением (манжеты или уплотнительные кольца). Это связано с тем, что при регулярном циклическом взаимодействии манжет или колец с кромками гнезда, в котором размещён клапан всасывания, манжеты или кольца будут постепенно разрушаться, при этом будет снижаться герметичность рабочей камеры и производительность компрессора, а также существенно снижаться его ресурс и надёжность.

Таким образом, за счёт незначительного изменения конструкции поршневого компрессора с жидкостным поршнем, позволяющей реализовать его рабочий цикл при полной изоляции клапана всасывания от рабочей камеры в процессах нагнетания, обратного расширения и на части процесса сжатия, предлагаемое техническое решение позволяет повысить производительность поршневого компрессора.

Изобретение относится к области компрессорной техники. Поршневой компрессор с жидкостным поршнем содержит камеры всасывания и нагнетания 5 и 7, цилиндр 1, крышку 2 и размещённый в цилиндре 1 жидкостной поршень 3, образующие замкнутую рабочую камеру 4, а также клапан всасывания 6, сообщающий камеру 4 с камерой 5, и клапан нагнетания 8, сообщающий камеру 4 с камерой 7. Клапан 6 размещён на цилиндрической стенке камеры 4 на расстоянии от крышки 2 цилиндра 1 для полного перекрытия поршнем 3 на части его хода. Изобретение направлено на повышение производительность поршневого компрессора с жидкостным поршнем. 4 ил.

Поршневой компрессор с жидкостным поршнем, содержащий камеры всасывания и нагнетания, цилиндр, крышку и размещённый в цилиндре жидкостной поршень, образующие замкнутую рабочую камеру, а также клапан всасывания, сообщающий рабочую камеру с камерой всасывания, и клапан нагнетания, сообщающий рабочую камеру с камерой нагнетания, отличающийся тем, что клапан всасывания размещён на цилиндрической стенке рабочей камеры на расстоянии Х* от крышки цилиндра для полного перекрытия поршнем на части его хода, при этом расстояние

Х* = Sм×(Рн/Рвс)^1/m,

где m - показатель политропы обратного расширения газа; Рн - давление нагнетания - Па; Рвс - давление всасывания, Па; Sм - линейная величина мёртвого объёма.