КОМПРЕССОР С КОМБИНИРОВАННЫМ МЕХАНИЗМОМ ПРИВОДА
COMPRESSOR WITH COMBINED DRIVING MECHANISM

Изобретение относится к области компрессоров объемного действия и может быть использовано при создании преимущественно поршневых компрессоров, к которым предъявляются высокие требования по экономичности, ресурсу работы и чистоте сжимаемых газов.
Известен компрессор с комбинированным приводом, содержащий, по крайней мере, один поршень и два кривошипа, которые установлены в пазу механизма привода, соединенного с поршнем, причем каждый кривошип соединен со своим двигателем, имеющим корпус и приводной вал, с которым соединен кривошип (Пат. России 2098662, МКИ F04В 25/00, 35/00. Бесконтактный компрессор. / А.П.Болштянский, В.Е.Щерба. Омский государственный технический университет. - №95114243/06; Заявлено 08.08.95; Опубл. 10.12.97. Бюл. №34).
Известен также компрессор с комбинированным механизмом привода, содержащий, по крайней мере, один основной поршень со своим цилиндром и два кривошипа, которые установлены в пазу механизма привода, соединенного с этим поршнем, и каждый кривошип соединен со своим двигателем, имеющим корпус и приводной вал, с которым соединен кривошип, а оба двигателя имеют общий единый корпус, причем вал одного двигателя имеет сквозное отверстие, через которое проходит вал второго двигателя Патент России 2334877, МКИ F01B 1/10, F16H 21/36. Машина объемного действия. / А.П.Болштянский, В.Е.Щерба, Е.А.Лысенко. Омский государственный технический университет. - №2006139729; Заявлено 09.11.2006; Опубл. 27.09.2008. Бюл. №27).
Недостатком известных конструкций является их сравнительно низкий коэффициент полезного действия (КПД) в бесконтактном исполнении цилиндропоршневой пары, т.к. в зависимости от режима работы наблюдается большая разность в температурах поршня, от которого теплота, получаемая им от сжатого газа, практически не отводится, и цилиндра, имеющего свободную поверхность теплообмена, в связи с чем они при нагреве расширятся не одинаково, и при проектировании такой конструкции приходится закладывать большой зазор между поршнем и цилиндром. Это обстоятельство существенно снижает КПД компрессора в связи с большими потерями с утечками через большой зазор подведенной к сжимаемому газу работы, т.к. величина утечек зависит от величины зазора в третьей степени.
Задачей изобретения является повышение КПД компрессора за счет снижения работы, потерянной с утечками, путем получения условий для использования минимального зазора в цилиндропоршневой паре.
Данный технический результат достигается тем, что механизм привода соединен со вспомогательным поршнем или плунжером, ось которого совпадает с осью основного поршня, причем вспомогательный поршень или плунжер размещен в дополнительном цилиндре, соединенном через всасывающий клапан с источником жидкости, а через нагнетательные клапаны - с полостями, размещенными в теле основного поршня и его цилиндра, а эти полости соединены с источником жидкости. Полость, размещенная в теле основного цилиндра, может быть соединена с источником жидкости через теплообменник.
Суть изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 схематично изображено продольное сечение поршневого компрессора, основной поршень которого находится в верхней мертвой точке (в его цилиндре заканчивается процесс нагнетания), а вспомогательный плунжер (нижний по рисунку) находится в положении нижней мертвой точки (в нижнем цилиндре заканчивается процесс всасывания смазочно-охлаждающей жидкости).
На фиг.2 изображено поперечное сечение машины (вид в направлении стрелки «А»), а на фиг.3 - этот же вид при среднем (относительно корпуса машины) положении основного поршня и вспомогательного плунжера, когда они оба движутся вниз (в верхнем цилиндре идет процесс всасывания газа, в нижнем - процесс нагнетания жидкости).
Компрессор состоит (фиг.1-3) из основного 1 и дополнительного 2 цилиндров, снабженных всасывающими соответственно 3 и 4 и нагнетательными соответственно 5 и 6 клапанами. В цилиндре 1 с зазором размещен основной поршень 7, а в дополнительном цилиндре 2 размешен вспомогательный плунжер 8, образующие блок, соединенный с общим механизмом привода, выполненным в виде кулисы 9 с пазом 10, в котором установлены первый 11 и второй 12 кривошипы, жестко соединенные с первым 13 и вторым 14 валом приводных двигателей (в данном примере - электродвигателей), причем вал 13 имеет сквозное отверстие 15, через которое проходит вал 14. Оба электродвигателя (первый и второй) имеют общий корпус 16, статорные обмотки соответственно 17 и 18, соединенные с источником напряжения, и роторные обмотки 19 и 20, например, короткозамкнутого типа (оба двигателя асинхронного типа), сидящие неподвижно, соответственно на валах 13 и 14, которые установлены в корпусе 16 на подшипниках качения соответственно 21 и 22. Направление движения (вращения) магнитного поля в статорных обмотках 17 и 18 противоположное, в связи с чем валы 13 и 14 совершают синхронное противоположное вращение (см. фиг.2 и 3).
В теле основного цилиндра 1 (фиг.1), в котором происходит сжатие газа, размещена кольцевая полость 23, соединенная с дополнительным цилиндром 2 через канал 24 и нагнетательный клапан 6, и с источником жидкости 25 через канал 26, который выполняет дополнительно функцию теплообменника. Дополнительный цилиндр 2 соединен с источником жидкости 25 через канал 27 и всасывающий клапан 4 (фиг.1 и 2).
В основном поршне 7 размещена кольцевая полость 28 (фиг.3), которая соединена через разветвленный канал 29 с нагнетательным клапаном 30, размещенным в теле вспомогательного плунжера 8, и снабжена сливными отверстиями 31, обращенными в сторону кулисы 9. Канал 32 служит для слива жидкости из зоны действия кулисы 9 обратно в источник жидкости 25 (фиг.1).
Компрессор работает следующим образом.
При подаче переменного напряжения к статорным обмоткам 17 и 18 в них возникает вращающееся противоположно направленное магнитное поле, возбуждающее магнитные поля в соответствующих роторных обмотках 19 и 20. Взаимодействие магнитных полей вызывает появление крутящего момента, который направлен противоположно в обеих роторных обмотках, в связи с чем валы 13 и 14 вращаются в противоположных направлениях с одинаковой частотой и одинаковым крутящим моментом благодаря идентичности электромагнитных характеристик статорных 17 и 18 и роторных 19 и 20 обмоток. При этом кривошипы 11 и 12 совершают синхронное противоположное вращение в пазу 10 кулисы 9, придавая ей возвратно-поступательное движение вдоль совместной оси основного 1 и дополнительного 2 цилиндров. Перемещающиеся вместе с кулисой 9 поршень 7 и плунжер 8 также совершают возвратно-поступательное движение, изменяя рабочий объем цилиндров 1 и 2. При этом, в связи с наличием всасывающих 3 и 4 и нагнетательных 5, 6 и 30 клапанов, в основном цилиндре 1 газ всасывается, сжимается и подается потребителю, а смазочно-охлаждающая жидкость из источника 25 через канал 27 и клапан 4 всасывается в дополнительный цилиндр 2, сжимается и нагнетается через клапан 30, канал 29 (фиг.2) в полость 28 основного поршня 7, отнимая у него теплоту, переданную поршню в процессе сжатия газа в основном цилиндре 1, откуда сливается через отверстия 31, попадая на кулису 9, смазывая механизм движения, и далее жидкость сливается по каналу 32 (фиг.1) обратно в источник жидкости 25. Кроме того (фиг.1), жидкость из дополнительного цилиндра 25 через нагнетательный клапан 6 и канал 24 попадает в полость 23 основного цилиндра и, протекая по ней, отнимает теплоту сжатия, переданную цилиндру в процессе сжатия газа в этом цилиндре. Далее жидкость по каналу 26, одновременно выполняющему функцию теплообменника (канал 26 проходит во внешней среде и может быть снабжен оребрением), охлаждается и сливается в источник 25, смешиваясь с нагретой жидкостью, поступившей по каналу 32. Сам источник 25 также может быть снабжен увеличенной поверхностью за счет оребрения и может выполнять функцию теплообменника.
Синхронное противоположно направленное и практически полностью соосное вращение валов 13 и 14, а также закрепленных на них кривошипов 11 и 12 обеспечивает полное отсутствие боковых усилий на поршне 7, что позволяет отказаться от его смазки и сжимать газы и смеси газов без их загрязнения продуктами смазки и износа.
Активное охлаждение основных цилиндра и поршня за счет постоянной циркуляции смазочно-охлаждающей жидкости в их полостях предложенной конструкции компрессора позволяет:
1. Стабилизировать температуру основных поршня и цилиндра на одном уровне и при их близких значениях, в результате чего, будучи изготовленными из обычных материалов с близкими коэффициентами линейного расширения (пара «сталь-сталь», «дюралюминий-дюралюминий», «латунь-латунь», «чугун-сталь», «нержавеющая сталь-латунь» и т.д.), получить практически независимый от теплового режима работы компрессора зазор между поршнем и цилиндром, что дает возможность использовать в цилиндропоршневой паре очень малые, близкие к нулю, зазоры и, таким образом, кратно снизить потерю работы цикла с утечками и существенно, на 10-15%, повысить КПД компрессора.
2. Отвести значительную часть теплоты сжатия от поверхностей, окружающих газ в процессе его сжатия, приблизить этот процесс к изотермическому и за счет этого повысить на 5-7% КПД компрессора.
3. За счет потока смазывающе-охлаждающей жидкости из полости основного поршня на механизм движения снизить потери в нем на трение и износ, что также положительно сказывается на работоспособности и экономичности компрессора.