ПОРШНЕВОЙ КОМПРЕССОР
PISTON COMPRESSOR

Изобретение относится к поршневым компрессорам и к другим поршневым машинам объемного вытеснения газов, например к двигателям внутреннего сгорания (далее ДВС). Известны поршневые компрессоры для повышения давления газов от нескольких атмосфер до 150 ат и более (Трактор Т-150К. (Устройство и эксплуатация). Под ред. Б.П.Кашубы и И.А.Коваля. - М.: Колос, 1976, с.158-161, рис.109 и Основы теплотехники: Учебное пособие. В.С.Охотин и др. - М.: Высшая школа, 1984, с.169, 170).
Недостаток известных устройств состоит в повышенной сложности и материалоемкости.
Известен поршневой компрессор, содержащий кольцевой канал постоянного сечения с окнами в стенке для входа и выхода газов и в нем две пары поршней, каждый из которых расположен между поршнями другой пары, прикрепленных к отдельным для каждой пары соосным полувалам и связанных кинематически с валом равномерного вращения через универсальные шарниры, причем плоскости соосных вилок соседних универсальных шарниров пересекаются под углом менее 180 градусов, например, UA 75431 С2, 15.04.2006, который принят за прототип.
Недостаток известного устройства состоит в том, что он имеет большое количество неравномерно вращающихся валов и универсальных шарниров, в существенном неравенстве модулей одновременных положительных и отрицательных ускорений пар поршней, причем тем их больше, чем больше универсальных шарниров в кинематической связи поршней с валом равномерного вращения.
Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции, уменьшение материалоемкости компрессора и его динамической неуравновешенности, улучшение плавности ротации.
Сущность изобретения в том, что поршневой компрессор, содержащий кольцевой канал постоянного сечения с окнами в стенке для входа и выхода газов и в нем две пары поршней, каждый из которых расположен между поршнями другой пары, прикрепленных к отдельным для каждой пары соосным полувалам и связанных кинематически с валом равномерного вращения через универсальные шарниры, причем плоскости соосных вилок соседних универсальных шарниров пересекаются под углом менее 180 градусов, в соответствии с изобретением каждый универсальный шарнир одной вилкой присоединен соосно к полувалу с поршнями, а другой вилкой присоединен соосно к валу равномерного вращения.
Благодаря этому поршни вращаются по кругу в одном и том же направлении вдоль кольцевого канала постоянного сечения (например, сечения в виде овала) циклически неравномерно с двумя максимумами и двумя минимумами угловой скорости на каждом полном обороте. Угловые ускорения пар поршней противоположны по знаку, дважды на каждом обороте тождественно равны по модулю и их модули почти равны между этими позициями, что позволяет существенно уменьшить массу и размеры маховика. Поршни сдвигают и раздвигают циклически в одних и тех же секторах кольцевого канала, всасывают газы через входные окна в стенке кольцевого канала и вытесняют их через выходные окна. Для компрессора, вакуумного насоса, паровой машины, пневматического мотора необходимо четыре окна, для ДВС - два. Поршни не давят на стенки цилиндра. Давление газов в компрессоре, в паровой машине создает пару равных сил и не нагружает опоры их вращения.
На фиг.1 изображена принципиальная схема компрессора, вид сбоку.
На фиг.2, 3 и 4 в плоскости разъема корпуса кольцевого канала изображены последовательные положения поршней через каждые 45 градусов поворота вала равномерного вращения. Их сечения условно сплошные.
На фиг.5 изображено угловое положение окон в стенках кольцевого канала для ДВС.
Условные обозначения на фиг.1…5.
1 - первый поршень (далее поршень),
2 - второй поршень (далее поршень),
3 - третий поршень (далее поршень),
4 - четвертый поршень (далее поршень),
5 - с торцевым диском полувал пары поршней 1 и 3 (далее полувал),
6 - с торцевым диском полувал пары поршней 2 и 4 (далее полувал),
7 - разъемный корпус кольцевого канала постоянного сечения (далее корпус),
8 - универсальный шарнир Гука (далее шарнир),
9 - вал равномерного вращения с маховиком (далее вал),
10 - полужесткая дисковая муфта (далее муфта),
11 - конический редуктор с передаточным отношением, например, равным единице, (далее редуктор),
12 - стрелкой показан вход газов в камеру кольцевого канала через входное окно,
13 - стрелкой показан выход газов из камеры кольцевого канала,
Є - угол отклонения вилок шарнира от взаимной соосности,
i - угловая скорость пары поршней (далее скорость),
є - угловое ускорение пары поршней (далее ускорение поршней).
Пусть (фиг.1) пара нечетных поршней 1 и 3 прикреплена к цилиндрической поверхности торцевого диска полувала 5 с противоположных сторон, а пара четных поршней 2 и 4 прикреплена аналогично к цилиндрической поверхности торцевого диска полувала 6. Поршни пустотелые (на фиг.2…5 их сечения полностью заштрихованы для большей наглядности) и установлены в кольцевом канале постоянного сечения (например, в виде овала) корпуса 7 так, что каждый поршень одной пары расположен между поршнями другой пары, а полувалы установлены соосно торцевыми дисками встык по оси кольцевого канала на подшипниках скольжения. К другому концу каждого полувала соосно присоединена вилка универсального шарнира 8, другая вилка которого присоединена соосно к валу 9. Этот вал муфтой 10 соединен с редуктором 11. Два таких редуктора связаны между собой валом так, что плоскости соосных вилок двух соседних универсальных шарниров 8 пересекаются под углом менее 180 градусов, например под углом 90 градусов, а угол Є взаимного отклонения вилок от соосности в каждом шарнире 8 больше нуля и меньше 90 градусов. Пусть, например, Є=49 градусам.
Работает компрессор следующим образом. Электродвигателем через редукторы 11 равномерно вращают валы 9, которые посредством шарниров 8 вращают полувалы 5 и 6 с поршнями 1-3 и 2-4 соответственно. Шарниры 8 преобразуют равномерное вращение валов 9 в циклически неравномерное вращение полувалов 5 и 6 с поршнями 1-3 и 2-4. При этом неравномерное вращение поршней смещено на пол фазы цикла: при минимальной скорости i min пары поршней 1-3 (фиг.2) пара поршней 2-4 имеет максимальную скорость i max, и наоборот (фиг.4), что чередуется через каждые 90 градусов поворота валов 9 и валов редукторов 11. Ускорения пар поршней противоположны по знаку, их модули тождественно равны при максимальном схождении поршней (фиг.3) и несущественно различаются между собой на протяжении цикла, если между равномерно и неравномерно вращаемыми валами не более одного шарнира. Поэтому вращающиеся неравномерно массы полувалов 5, 6, поршней 1, 2, 3, 4 взаимно уравновешены. При увеличении числа шарниров между равномерно и неравномерно вращаемыми деталями более одного несимметричность ускорений существенно возрастает. Так происходит благодаря свойству шарнира 8 и их кинематическим связям.
Поршни 1-3 в позиции на фиг.2 имеют минимальную скорость i min, а поршни 2-4 - максимальную i max. Поэтому объем камер между поршнями 1 и 2 (далее камера 1-2), а также между поршнями 3 и 4 (далее камера 3-4) уменьшают. Одновременно объем камер между поршнями 1 и 4 (далее камера 1-4), а также между поршнями 2 и 3 (далее камера 2-3) увеличивают. Через входные окна корпуса 7 камеры 1-4 и 2-3 заполняют газом, что на фиг.2 и 4 показано стрелками 12. Одновременно в камерах 1-2 и 3-4 газ сжимают и затем вытесняют его через выпускные окна, что на фиг.3 показано стрелками 13. На фиг.3 показана позиция максимального схождения поршней 1 и 2, а также 3 и 4. Наши вычисления показывают, что при угле Є=49 градусов угол между линиями симметрии поршней 1-2 и 3-4 в позиции их максимального схождения равен 67,5 градусам, а - 1-4 и 2-3 равен 112,5-ти градусам. Поэтому при угловой длине поршня в 67,5 градусов за один оборот валов 9 компрессор прокачивает объем газа равный одному полному объему кольцевого канала - в 360-ти градусах. При угле Є=58 градусам и угловой длине поршня 56 градусов компрессор прокачивает объем в 1,5 раза больший. При Є=66 градусам и угловой длине поршня 44 градуса - вдвое больший. Выпускные окна размещают так, чтобы они открывались при заданной степени сжатия газов. Впускные окна размещают так, чтобы они открывались при расширении оставшегося между поршнями газа до давления газа за впускными окнами.
Работа ДВС отличается от работы компрессора тем, что через впускное окно (фиг.5) камеру между поршнями 3-4 заполняют воздухом, затем его сжимают и впрыскивают топливо. Топливо воспламеняется, давление в камере между поршнями резко возрастает и раздвигает поршни, прокручивая их по ходу вращения, и затем отработавшие газы выходят через выпускное окно.
Итак, поршневой компрессор по изобретению проще известных, менее материалоемок и уравновешен статически и динамически, перспективен для высокопроизводительных компрессоров высокого давления в особо крупном исполнении.