ЦИЛИНДР С ВОДЯНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ (ВАРИАНТЫ)

Область техники.
Заявляемая группа технических решений относится к области компрессоростроения и предназначена для использования в цилиндропоршневых узлах поршневых компрессоров.
Предшествующий уровень техники.
Известны цилиндры компрессоров, выполненные из отдельных частей, которые соединены между собой разъемно или неразъемно. Среди них известны, например, цилиндры ряда оппозитного компрессора (Поспелов Г.А. и др. Объемные компрессоры. Атлас конструкций. М.: Машиностроение, 1994. С. 42, лист 31, рис. 1, [1]). Как и в заявляемом техническом решении по варианту 1 каждый из указанных цилиндров содержит окруженную обечайкой часть корпуса. При этом наружная свободная поверхность корпуса и внутренняя поверхность обечайки образуют полость охлаждения, которая снабжена бобышками с отверстиями входа и выхода воды.
У указанного цилиндра обечайка приварена к фланцам корпуса. При этом бобышка с отверстием входа воды расположена в нижней части корпуса, а бобышка с отверстием выхода воды расположена в верхней части корпуса. Кроме того оси бобышек с отверстиями входа и выхода воды перпендикулярны оси корпуса.
Недостатком указанного аналога [1] является то, что оси бобышек с отверстиями входа и выхода воды перпендикулярны оси корпуса. Следствием этого является высокое гидравлическое сопротивление движению воды. Это снижает скорость прохождения воды через полость охлаждения и ухудшает теплоотдачу с поверхности корпуса.
Также известен цилиндр высокого давления с масляным охлаждением (Френкель М.И. Поршневые компрессоры. Теория, конструкции и основы проектирования. Ленинград: Машиностроение, 1969. С. 293, рис. VII.17, [2]). Как и в заявляемом техническом решении по варианту 1, указанный аналог содержит соосно размещенные втулку и обечайку. При этом наружная поверхность втулки и внутренняя поверхность обечайки образуют полость охлаждения, которая снабжена штуцерами подвода и отвода масла.
Также указанный аналог содержит фланцы, которые закрывают с обеих сторон втулку с обечайкой, и стянуты между собой шпильками. В полости охлаждения циркулирует масло. Штуцеры подвода и отвода масла расположены на противоположных сторонах обечайки и их оси перпендикулярны оси втулки.
Первым недостатком указанного аналога [2] является масляное охлаждение цилиндра. Масло, по сравнению с водой, обладает более высокой вязкостью и низкой скоростью движения в полости охлаждения. Это снижает эффективность теплоотдачи с поверхности втулки. Кроме того для получения достаточной скорости движения масла необходимы насосы с большим давлением и с повышенным расходом энергии. Вторым недостатком аналога [2] является то, что оси штуцеров подвода и отвода жидкости перпендикулярны оси втулки. Это ухудшает охлаждение цилиндра компрессора
Термины «штуцер подвода масла» и «штуцер отвода масла» соответствуют терминам «патрубок входа жидкости» и «патрубок выхода жидкости» заявляемого технического решения по варианту 1.
Указанный аналог [2] является по совокупности существенных признаков наиболее близким аналогом того же назначения к заявляемому техническому решению по варианту 1. Поэтому он принят в качестве прототипа.
Известны также цилиндры с цельными корпусами. Среди них известен, например, дифференциальный блок цилиндров (Поспелов Г.А. и др. Объемные компрессоры. Атлас конструкций. М.: Машиностроение, 1994. С. 42, лист 31, рис. 2, [3]). Как и в заявляемом техническом решении по варианту 2 каждый из цилиндров этого блока содержит корпус, в котором выполнена полость охлаждения, при этом полость охлаждения снабжена элементами подвода и отвода жидкости.
У каждого из указанных аналогов [3] элемент подвода жидкости расположен в нижней части корпуса, а элемент отвода жидкости расположен в верхней части корпуса. При этом оси вышеуказанных элементов перпендикулярны оси корпуса.
Указанному аналогу [3] присущ недостаток аналогов [1, 2], а именно расположение осей элементов подвода и отвода воды перпендикулярно оси корпуса, что снижает скорость прохождения воды через полость охлаждения и ухудшает охлаждение цилиндра.
Термины «элемент подвода жидкости» и «элемент отвода жидкости» у аналога [3] соответствуют терминам «патрубок входа жидкости» и «патрубок выхода жидкости» у заявляемого технического решения по варианту 2.
Указанный аналог [3] является по совокупности существенных признаков наиболее близким аналогом того же назначения к заявляемому техническому решению по варианту 2. Поэтому он принят в качестве прототипа.
Раскрытие заявляемого технического решения.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является улучшение охлаждения цилиндра компрессора.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым техническим решением по вариантам 1 и 2, является повышение эффективности переноса теплоты от цилиндра к охлаждающей жидкости.
Сущность заявленного технического решения по варианту 1 состоит в том, что цилиндр компрессора содержит составной корпус, включающий соосно размещенные втулку и обечайку. При этом наружная свободная поверхность втулки и внутренняя поверхность обечайки образуют полость охлаждения, которая снабжена патрубками входа и выхода жидкости. Отличается тем, что ось каждого патрубка расположена под углом к диаметру обечайки, проходящему через место крепления патрубка с обечайкой.
Вышеуказанная сущность является совокупностью существенных признаков заявленного технического решения по варианту 1, обеспечивающих достижение заявленного технического результата «повышение эффективности переноса теплоты от цилиндра к охлаждающей жидкости».
В частных случаях допустимо выполнять техническое решение по варианту 1 следующим образом.
Ось каждого патрубка предпочтительно расположена тангенциально к поверхности обечайки.
Оси патрубков входа и выхода жидкости преимущественно параллельны друг другу.
Во втулке преимущественно выполнены последовательно от ее первого торца ко второму сообщенные между собой полость сальника и рабочая полость. При этом патрубок входа жидкости выполнен со стороны рабочей полости, а патрубок выхода жидкости со стороны полости сальника.
Сущность заявленного технического решения по варианту 2 состоит в том, что цилиндр компрессора содержит цельный корпус, в котором выполнена полость охлаждения. При этом полость охлаждения снабжена патрубками входа и выхода жидкости. Отличается тем, что ось каждого патрубка расположена под углом к диаметру корпуса, проходящему через место крепления патрубка с корпусом.
Вышеуказанная сущность является совокупностью существенных признаков заявленного технического решения по варианту 2, обеспечивающих достижение заявленного технического результата «повышение эффективности переноса теплоты от цилиндра к охлаждающей жидкости».
В частных случаях допустимо выполнять техническое решение по варианту 2 следующим образом.
Ось каждого патрубка предпочтительно расположена тангенциально к поверхности корпуса.
Оси патрубков входа и выхода жидкости преимущественно параллельны друг другу.
Внутри корпуса преимущественно выполнены последовательно от первого торца корпуса ко второму сообщенные между собой полость сальника и рабочая полость. При этом патрубок входа жидкости выполнен со стороны рабочей полости, а патрубок выхода жидкости со стороны полости сальника.
Авторами технических решений заявленной группы изготовлены опытные образцы этих решений, испытания которых подтвердили достижение технического результата.
Краткое описание чертежей.
На фигуре 1 показан продольный разрез цилиндра с водяным охлаждением по варианту 1; на фиг. 2 - продольный разрез цилиндра с водяным охлаждением по варианту 2; на фиг. 3 - вид на первый торец цилиндра с водяным охлаждением по варианту 1; на фиг. 4 - вид на второй торец цилиндра с водяным охлаждением по варианту 1; на фиг. 5 - вид на первый торец цилиндра с водяным охлаждением по варианту 2; на фиг. 4 - вид на второй торец цилиндра с водяным охлаждением по варианту 2.
Осуществление технического решения по варианту 1.
Цилиндр с водяным охлаждением (фиг. 1) содержит составной корпус, включающий соосно размещенные втулку (1) и обечайку (2), закрытые с торцов фланцами (3, 4). Втулка (1) и фланцы (3, 4) выполнены преимущественно из качественной высокопрочной стали марки Сталь 45 ГОСТ 1050-88.
Первый торец корпуса (фиг. 3) предназначен для сопряжения заявляемого цилиндра со станиной или дистанционным фонарем. На первом торце корпуса выполнены глухие резьбовые отверстия (5) и бурт (6). Резьбовые отверстия (5) равноудалены от оси корпуса и предназначены для установки в них шпилек, которыми цилиндр закрепляют на станине или дистанционном фонаре. Бурт (6) предназначен для центрирования цилиндра относительно сопрягаемой поверхности.
Фланцы (3, 4) приварены ко втулке (1) и обечайке (2). При этом каждый из фланцев (3, 4) приварен ко втулке (1) с двух сторон.
Первый фланец (3) размещен на втулке (1) со первого торца корпуса и снабжен кольцевой проточкой (7) со стороны противоположной первому торцу корпуса. Вышеупомянутый фланец (3) содержит смежные осевое отверстие (8) под фланец сальника и осевое отверстие (9) под втулку (1). Отверстие (8) под фланец сальника выполнено со стороны первого торца корпуса. На торцевой поверхности отверстия (8) под фланец сальника выполнены глухие резьбовые отверстия (10), которые предназначены для установки в них шпилек, с помощью которых закрепляют фланец сальника. Диаметр отверстия (9) под втулку (1) меньше диаметра отверстия (8) под фланец сальника. На внешнем крае отверстия (9) под втулку (1) выполнена первая кольцевая фаска под сварку (11).
Второй торец корпуса (фиг. 4) предназначен для сопряжения заявляемого цилиндра с клапанной коробкой. На втором торце корпуса выполнены глухие резьбовые отверстия (12), которые предназначены для установки в них шпилек и равноудалены от оси корпуса.
Второй фланец (4) размещен на втулке (1) со стороны второго торца корпуса и снабжен кольцевой проточкой (13) со стороны противоположной второму торцу корпуса. Вышеупомянутый фланец (4) имеет в поперечном сечении форму прямоугольника и содержит осевое отверстие (14) под втулку (1). На обоих краях осевого отверстия (14) под втулку (1) выполнены вторая (15) и третья (16) кольцевые фаски под сварку.
Втулка (1) представляет собой цилиндрическую деталь. На торцах втулки (1) выполнены четвертая (17) и пятая (18) фаски, совмещенные с внешними первой (11) и второй (15) фасками фланцев (3, 4). Диаметр наружной поверхности втулки (1) у ее первого торца выполнен ступенчато изменяющимся. При этом наименьший диаметр наружной поверхности втулка (1) имеет у торца, причем упомянутая ступень втулки (1) упирается в первый фланец (3), и на этой ступени выполнена шестая кольцевая фаска под сварку (19).
Во втулке (1) выполнены последовательно от ее первого торца ко второму сообщенные между собой полость сальника (20), разделительная полость (21) и рабочая полость (22). На втором торце втулка имеет центрирующий бурт (23).
Полость сальника (20) представляет собой осевое цилиндрическое отверстие, которое предназначено для установки в него камер сальника.
Разделительная полость (21) сообщена с полостью сальника (20) осевым отверстием (24) для прохода штока, диаметр которого меньше диаметра разделительной полости (21). Разделительная полость (21) предназначена для создания перепада давления, действующего на уплотняющие элементы и, как следствие, повышения их срока службы. С этой целью разделительная полость (21) снабжена радиальным отверстием (25), выполненным в стенке втулки (1). Через радиальное отверстие (25) разделительную полость (21) сообщают с источником необходимого давления, например более низкого.
Рабочая полость (22) представляет собой осевое цилиндрическое отверстие, в которое запрессовывают гильзу. Диаметр рабочей полости (22) больше диаметра разделительной полости (21). В рабочей полости (22) у второго торца втулки (1) выполнена кольцевая проточка (26) с большим диаметром, в которую упирается бурт гильзы.
Гильза (не показано) установлена в рабочей полости (22) вплотную к ступени изменения диаметра между рабочей полостью (22) и разделительной полостью (21).
Обечайка (2) приварена к кольцевым проточкам (7, 13) фланцев (3, 4) и состоит из двух частей - полуобечаек, сваренных вдоль ее образующей. Кроме того обечайка (2) снабжена отверстием (27), расположенным напротив радиального отверстия (25) втулки (1). В отверстия (25) втулки (1) и обечайки (2) установлен штуцер (28). Штуцер (28) предназначен для соединения с источником низкого давления.
Наружная свободная поверхность втулки (1) и внутренняя поверхность обечайки (2) образуют полость охлаждения (29). Полость охлаждения (29) снабжена патрубками входа и выхода жидкости (30, 31). С целью исключения возникновения воздушной пробки, патрубок входа жидкости (30) расположен в нижней части корпуса, а патрубок выхода жидкости (31) расположен в верхней части корпуса. С целью улучшения теплоотдачи и усиления переноса теплоты, ось каждого патрубка (30, 31) расположена под углом а к диаметру обечайки (2), проходящему через место крепления патрубка (30, 31) с обечайкой (2). В частном случае, ось каждого патрубка (30, 31) может быть расположена тангенциально, т.е. по касательной, к поверхности обечайки (2). При этом оси патрубков входа и выхода жидкости (30, 31) параллельны друг другу.
Примеры конкретного выполнения.
Пример 1. Фланцы (3, 4) и втулка (1) выполнены из стали марок: 40Х, 50, 50Г2.
Пример 2. Корпус снабжен радиальным отверстием под штуцер подвода смазки. При этом отверстие выполнено во втором фланце (4) и гильзе.
Пример 3. Патрубок входа жидкости (30) выполнен со стороны рабочей полости (22), а патрубок выхода жидкости (31) со стороны полости сальника (20).
Реализация заявляемого технического решения не ограничивается приведенными выше примерами.
Порядок использования.
При изготовлении цилиндра на втулку (1) со стороны первого торца корпуса устанавливают первый фланец (3) до упора в ступень изменения диаметра наружной поверхности втулки (1). Затем первый фланец (3) приваривают ко втулке (1) с двух сторон. После этого на втулку (1) со стороны второго торца корпуса устанавливают второй фланец (4) и приваривают его также с двух сторон. После этого полученную сборочную единицу подвергают термической обработке для снятия напряжений.
К полуобечайкам приваривают патрубки (30, 31). При этом ось каждого патрубка (30, 31) расположена под углом а к диаметру обечайки (2), проходящему через место крепления патрубка (30, 31) с обечайкой (2). После этого полуобечайки устанавливают в кольцевые проточки (7, 13) фланцев (3, 4). Затем полуобечайки приваривают друг к другу и к фланцам (3, 4).
В рабочую полость (22) втулки (1) устанавливают гильзу.
В полость сальника (20) втулки (1) устанавливают камеры сальника, а в отверстии (8) под фланец сальника шпильками закрепляют фланец сальника.
В радиальное отверстие (25) втулки (1) и отверстие (27) обечайки (2) устанавливают штуцер (28).
Полученную сборочную единицу крепят первым фланцем (3) к фонарю станины или дистанционному фонарю. При этом в резьбовые отверстия (5) первого торца корпуса вкручивают шпильки, а затем цилиндр шпильками устанавливают в ответные отверстия на сопрягаемой поверхности. При этом корпус центрируется по бурту (6).
Затем внутрь рабочей полости (22) с гильзой устанавливают узел шатунно-поршневой группы.
После этого на втором торце корпуса цилиндра закрепляют клапанную коробку с комбинированным клапаном, входным и выходным штуцером. Указанные штуцеры подключают к трубопроводам подачи первичного газа и отвода сжатого газа.
Шатунно-поршневую группу приводят в движение через цепь передач от приводного двигателя. Подлежащий сжатию газ поступает в замкнутую рабочую полость (22). Затем газ сжимается, при этом повышаются его давление и температура.
В полость охлаждения (29) через патрубок (30) входа жидкости подводят охлаждающую жидкость, которая начинает двигаться по спирали. Это усиливает перенос теплоты от цилиндра к охлаждающей жидкости. Затем охлаждающая жидкость через патрубок (31) выхода жидкости отводится из цилиндра.
Сжатый в цилиндре газ поступает в коммуникации компрессора.
Осуществление технического решения по варианту 2.
Цилиндр с водяным охлаждением по варианту 2 (фиг. 2) имеет цельный корпус (1), в котором установлена гильза (2).
Со стороны первого торца корпуса (1) выполнен первый фланец (3), предназначенный для сопряжения заявляемого цилиндра со станиной или дистанционным фонарем.
На первом торце корпуса выполнены глухие резьбовые отверстия (4) и бурт (5) (фиг. 5). Глухие резьбовые отверстия (4) равноудалены от оси корпуса (1) и предназначены для установки в них шпилек, которыми цилиндр закрепляют на станине или дистанционном фонаре. Бурт (5) предназначен для центрирования цилиндра относительно сопрягаемой поверхности.
Со стороны второго торца корпуса (1) выполнен второй фланец (6), предназначенный для сопряжения заявляемого цилиндра с клапанной коробкой. Второй фланец (6) имеет в поперечном сечении форму прямоугольника.
На втором торце корпуса выполнены глухие резьбовые отверстия (7) и центрирующий бурт (8) (фиг. 6). Глухие резьбовые отверстия (7) предназначены для установки в них шпилек и равноудалены от оси корпуса (1).
Внутри корпуса (1) выполнены последовательно от его первого торца ко второму сообщенные между собой полость сальника, разделительная полость (9), рабочая полость (10) и полость охлаждения (11).
Полость сальника содержит смежные и сообщенные между собой осевое отверстие (12) под фланец сальника и отверстие (13) под уплотнительные камеры.
Отверстие (12) под фланец сальника выполнено у первого торца корпуса (1). На торцевой поверхности отверстия (12) под фланец сальника выполнены глухие резьбовые отверстия (14), которые предназначены для установки в них шпилек, с помощью которых закрепляют фланец сальника.
Отверстие (13) под уплотнительные камеры представляет собой осевое цилиндрическое отверстие, которое предназначено для установки в него камер сальника. Диаметр отверстия (13) под уплотнительные камеры меньше диаметра отверстия (12) под фланец сальника.
Разделительная полость (9) сообщена с полостью сальника осевым отверстием (15) для прохода штока, диаметр которого меньше диаметра разделительной полости (9). Разделительная полость (9) предназначена для уменьшения перепада давления, действующего на уплотняющие элементы и, как следствие, повышения их срока службы. С этой целью разделительная полость (9) снабжена радиальным отверстием (16), выполненным в стенках корпуса (1). Через радиальное отверстие (16) разделительную полость (9) сообщают с источником необходимого давления, например более низкого.
Рабочая полость (10) представляет собой осевое цилиндрическое отверстие, в которое запрессовывают гильзу. Диаметр рабочей полости (10) больше диаметра разделительной полости (9). В рабочей полости (10) у второго торца корпуса (1) выполнена кольцевая проточка с большим диаметром, в которую упирается бурт гильзы (2).
Гильза (2) установлена в рабочей полости (10) вплотную к ступени изменения диаметра между рабочей полостью (10) и разделительной полостью (9).
Полость охлаждения (11) выполнена вокруг полости сальника, разделительной полости (9) и рабочей полости (10). Полость охлаждения (11) снабжена патрубками входа и выхода жидкости (17, 18). С целью исключения возникновения воздушной пробки, патрубок входа жидкости (17) расположен в нижней части корпуса (1), а патрубок выхода жидкости (18) расположен в верхней части корпуса (1). С целью повышение эффективности переноса теплоты от цилиндра к охлаждающей жидкости, ось каждого патрубка (17, 18) расположена под углом а к диаметру корпуса (1), проходящему через место крепления патрубка (17, 18) с корпусом (1). В частном случае, ось каждого патрубка может быть расположена тангенциально, т.е. по касательной, к поверхности корпуса (1).
Патрубок входа жидкости (17) выполнен со стороны рабочей полости (10), а патрубок выхода жидкости (18) о стороны полости сальника.
Корпус снабжен радиальным отверстием (19) под штуцер подвода смазки. При этом отверстие (19) выполнено во втором фланце (6) и гильзе (2).
Порядок использования.
При использовании цилиндра по варианту 2 в рабочую полость (10) корпуса (1) устанавливают гильзу (2), а в отверстие (13) под уплотнительные камеры устанавливают камеры сальника. Затем в отверстии (12) под фланец сальника шпильками закрепляют фланец сальника.
Полученную сборочную единицу крепят первым фланцем (3) к фонарю станины или дистанционному фонарю. При этом в резьбовые отверстия (4) первого торца корпуса (1) вкручивают шпильки, а затем цилиндр шпильками устанавливают в ответные отверстия на сопрягаемой поверхности. При этом корпус (1) центрируется по бурту (5).
Затем внутрь рабочей полости (10) с гильзой (2) устанавливают узел шатунно-поршневой группы.
После этого на втором торце корпуса (1) закрепляют клапанную коробку с комбинированным клапаном, входным и выходным штуцером. Указанные штуцеры подключают к трубопроводам подачи первичного газа и отвода сжатого газа.
Шатунно-поршневую группу приводят в движение через цепь передач от приводного двигателя. Подлежащий сжатию газ поступает в замкнутое рабочее пространство гильзы (2). Затем газ сжимается, при этом повышаются его давление и температура.
В полость охлаждения (11) через патрубок (17) входа жидкости подводят охлаждающую жидкость, которая начинает двигаться по спирали. Это усиливает перенос теплоты от цилиндра к охлаждающей жидкости. Затем охлаждающая жидкость через патрубок (18) выхода жидкости отводится из цилиндра.
Сжатый в цилиндре газ поступает в коммуникации компрессора.
Промышленная применимость.
Заявляемая группа технических решений реализована с использованием промышленно выпускаемых устройств и материалов, может быть изготовлена на любом машиностроительном предприятии и найдет широкое применение в области компрессоростроения.