Цилиндр ступени компрессора

Заявляемое техническое решение относится к области компрессоростроения и предназначено для использования в цилиндропоршневых узлах ступеней компрессоров.
Технической задачей является снижение потерь на трение между поршнем и цилиндром, что позволит увеличить ресурс работы агрегата, а также получение чистого и сухого сжатого газа.
Техническая задача решается за счет установки в цилиндре втулки из антифрикционного материала с клиновидной внутренней поверхностью. Такая втулка может быть выполнена из фторопластовых композиций, например - Ф4К15М5, предназначенной для работы в условиях сухого трения в широком диапазоне температур от -200 до +260°С. Кроме того, внутренняя поверхность данной вставки имеет клиновидную форму, обеспечивающую лучшее уплотнение рабочей камеры во время работы.
Известен трехпоршневой радиальный насос [патент RU 173537, опубл. 30.08.2017], у которого на поверхности направляющего диска, обращенной к головкам поршней, расположена прокладка из антифрикционного материала, повторяющая профиль диска с канавкой. Такая втулка может быть выполнена из фторопластовой композиции Ф4К20, предназначенной для работы в условиях сухого трения в широком диапазоне температур от -250 до +260°С.
Данное решение имеет следующий недостаток. Материал вставки, выполненной из фторопластовой композиции Ф4К20 быстро размягчается и не стойкий к высокому давлению при температурах более +55…+60°С. При размягчении полимера происходит его выдавливание, коробление.
Наиболее близким к предлагаемому решению является цилиндр высшей ступени компрессора [патент RU 152050, опубл. 31.10.2013 г.], содержащий корпус, в сквозном осевом посадочном отверстии которого установлена втулка.
Однако известное решение имеет существенный недостаток, состоящий в том, что втулка выполнена из металлического материала, из-за чего при работе цилиндропоршневой группы необходимо в пару трения вводить смазку, что не всегда приемлемо для технологического процесса.
Техническая задача решается тем, что втулка выполнена из антифрикционного материала (далее «антифрикционная втулка»), например, из фторопластовой композиции Ф4К15М5, и расположена внутри металлического цилиндра (далее «втулка»), что позволяет работать цилиндру в диапазоне рабочих температур от -60 до +250°С, высоких давлениях и повышает стойкость материала к деформациям.
Такая втулка может быть предназначена для работы в условиях сухого трения, что обеспечит подачу потребителю сухого и чистого газа.
Кроме того, данная втулка обладает клиновидной внутренней поверхностью с запасом на деформацию при сжатии (δ). Повышение ресурса обеспечивается за счет низкого коэффициента трения между поршнем и втулкой.
Предлагаемое решение поясняется следующими фигурами.
На фиг. 1 представлен цилиндр ступени компрессора в сборе.
На фиг. 2 представлена антифрикционная втулка.
Цилиндр ступени компрессора состоит из корпуса 1, в который вставлена антифрикционная втулка 2, внутри которой движется поршень 3. Антифрикционная втулка 2 имеет бурт 4 для уплотнения со стороны клапанной плиты 5, со стороны механизма движения антифрикционная втулка 2 зажата пластиной 6 с помощью винтов 7. Также для охлаждения цилиндр имеет рубашку охлаждения 8 и клапаны 9 и 10 соответственно нагнетательный и всасывающий. Поршень 3, цилиндр 1 и клапанная плита 5 образуют рабочую камеру 11. Антифрикционная втулка 2 может быть выполнена из фторопластового композита, например из материала Ф4К15М5. Антифрикционная втулка 2 имеет внутреннюю поверхность в виде конуса. Внутренний диаметр антифрикционной втулки со стороны механизма движения имеет диаметр Dц, равный диаметру поршня 3. Со стороны установки клапанов внутренний диаметр меньше на величину 25. Величина δ - учитывает деформацию антифрикционной втулки 2 при нагружении внутренним давлением Р. Если выполнить антифрикционную втулку 2 диаметром Dц, то при деформации от внутреннего давления Р возникнет зазор δ (поскольку фторопластовые композиции имеют небольшой модуль упругости), что приведет к значительным утечкам из рабочей камеры.
Величину δ можно рассчитать по формуле [Справочник машиностроителя под редакцией С.В. Серенсена; т. 3, 1963, стр. 204]:
где Е - модуль упругости материала антифрикционной вставки;
h - толщина антифрикционной втулки;
μ - коэффициент Пуансона.
Рассмотрим работу заявляемого технического решения.
В корпус 1 со стороны механизма движения устанавливают антифрикционную втулку 2 таким образом, чтобы бурт 4 плотно сел в паз клапанной плиты 5, что обеспечивает герметичность рабочей камеры 11. Затем антифрикционную втулку 2 фиксируют от осевых перемещений пластиной 6 с помощью винтов 7.
При движении поршня 3 объем рабочей камеры 11 уменьшается, газ, поступивший через всасывающий клапан 10, сжимается. Давление Р в рабочей камере 11 увеличивается, что приводит к деформации антифрикционной втулки 2 на величину δ, рассчитываемую по формуле (1). При достижении требуемого давления нагнетательный клапан 9 открывается, и сжатый газ поступает к потребителю. При достижении верхней мертвой точки, находящейся вблизи клапанной плиты 5 поршень 3 движется в обратную сторону. Давление в рабочей камере 11 падает и антифрикционная втулка 2 возвращается в исходное (недеформированное) состояние. В процессе работы для охлаждения корпуса 1 через рубашку охлаждения 8 циркулирует охлаждающая жидкость.
Предложенный цилиндр ступени компрессора, содержащий корпус, в осевом посадочном отверстии которого установлена втулка, которая выполнена из антифрикционного материала, позволяет цилиндру работать в диапазоне рабочих температур от -60 до +250°С при высоких давлениях и повысить стойкость материала к деформациям, при этом снижаются потери на трение между поршнем и цилиндром, что позволяет увеличить ресурс работы агрегата, а также получение чистого и сухого сжатого газа.