СИСТЕМА ДЛЯ НАГНЕТАНИЯ ГАЗА В ЗАЗОР БЕСКОНТАКТНОЙ ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ ПАРЫ КОМПРЕССОРА И КОМПРЕССОР ДВОЙНОГО ДЕЙСТВИЯ С ЭТОЙ СИСТЕМОЙ
SYSTEM TO FORCE GAS INTO GAP OF COMPRESSOR CONTACTLESS CYLINDER-PISTON PAIR AND DOUBLE-ACTION COMPRESSOR WITH SAID SYSTEM

Группа изобретений относится к области компрессоростроения и может быть использована в различных отраслях для сжатия и подачи потребителю газообразного рабочего тела под давлением, в частности, в силовых установках автомобилей в качестве поршневых компрессоров.
Задача, реализуемая группой изобретений, направлена на создание компактных, экономичных в изготовлении и работе поршневых компрессоров с повышенной производительностью нагнетания чистых газов путем исключения непроизводительного расхода и потерь нагнетаемого рабочего тела и использования высокоэффективных с расширенными функциями систем газового уплотнения и/или подвеса их бесконтактных цилиндропоршневых пар.
Известны системы для нагнетания газа в зазор бесконтактной цилиндропоршневой пары компрессора, представляющие собой накопительную полость, расположенную в цилиндре (RU 2120062, 1998 г.) или в поршне (SU 947465, 1982 г.; RU 2098661, 1997 г.), куда из рабочей камеры сжатия отбирается часть нагнетаемого газа, и каналы для дальнейшего дросселирования этого газа из накопительной полости в зазор между цилиндром и поршнем с целью обеспечения уплотнения между ними и центрирования поршня.
Основной недостаток таких систем связан с использованием для подачи в зазор отбираемого из рабочей камеры сжатия нагнетаемого газа, т.к., во-первых, это приводит к необходимости непроизводительного расхода нагнетаемого тела, а во-вторых, усугубляет тепловой режим работы цилиндропоршневой пары, чем обуславливает усложнения как в самой системе, например в аналоге по SU 947465 - это дополнительные узлы и элементы для предварительного охлаждения газа; так и в конструкции компрессора в целом: в аналоге по RU 2098661 усложнена конструкция цилиндра, он выполнен в коническом корпусе из термостойкого материала. К тому же системы-аналоги не способны препятствовать утечкам нагнетаемого тела (газа), а из-за зависимости эффективности системы от давления нагнетания в период запуска компрессора, когда давление газа в системе недостаточно, может возникнуть пауза и/или неустойчивый режим в их работе.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемой является система для нагнетания газа в зазор бесконтактной цилиндропоршневой пары компрессора (RU 2154190, 2000г.), содержащая отдельно отстоящую, автономную от рабочей, камеру сжатия, сообщающуюся с источником питания, и радиальные дроссельные каналы, выполненные в поршне с выходом в зазор и эту камеру. В нем автономная камера сжатия образована дополнительной цилиндропоршневой парой, размещенной на значительном удалении от радиальных каналов в поршне, выходящих в требуемый зазор, и сообщается с ними через внутренний канал в поршне и штоке дополнительной цилиндропоршневой пары и накопительную полость, расположенную внутри основного поршня (RU 2154190C1, 10.08.2000). Такое выполнение системы снижает ее эффективность из-за путевых потерь давления при передачи его от автономной камеры сжатия в зазор. Эта система, так же как и предыдущие аналоги, не способна обеспечить встречный подпор газовым утечкам из рабочей камеры и в конструкции компрессора с такой системой приходится предусматривать дополнительные уплотнительные средства для предотвращения утечек нагнетаемого тела. Автономная камера сжатия системы в прототипе подключена к отдельному источнику питания или может быть подключена к рабочей камере сжатия компрессора. В последнем случае прототипу будут присущи еще и перечисленные выше недостатки предыдущих аналогов.
Технический результат, получаемый при использовании данного изобретения, состоит в повышении эффективности работы системы и расширении ее функциональных возможностей за счет подачи в зазор газа без потери давления нагнетания путем максимально возможного приближения автономной камеры сжатия этой системы к зоне выхода газа в зазор и обеспечения встречного подпора вероятным утечкам рабочего тела в зоне зазора.
Для достижения технического результата в системе для нагнетания газа в зазор бесконтактной цилиндропоршневой пары компрессора, образующей его рабочую камеру сжатия, содержащей радиальные дроссельные каналы, выполненные в поршне с выходом в зазор, и образованную дополнительной цилиндропоршневой парой автономную камеру сжатия газа, сообщающуюся с этими каналами и источником питания, согласно изобретению автономная камера сжатия образована дополнительной цилиндропоршневой парой, которая расположена внутри основной цилиндропоршневой пары компрессора и цилиндром, в которой является замкнутая полость в торце поршня основной цилиндропоршневой пары, а поршнем - ответный выступ, предусмотренный в крышке цилиндра этой пары.
Снабжение системы своей (автономной от рабочей) камерой сжатия, максимально приближенной к обслуживаемому зазору, снимает зависимость эффективности этой системы от работы рабочей камеры компрессора, позволяет свести к минимуму коммуникационную сеть каналов и потери в ней, создать встречный нагнетаемому рабочему телу газовый подпор его вероятным утечкам в зоне зазора, способствует созданию экономичных, компактных и производительных поршневых компрессоров.
Известен компрессор двойного действия (RU 2098662, 1997 г.), содержащий подключенную к клапанным системам всасывания и нагнетания бесконтактную цилиндропоршневую пару, содержащую цилиндр и поршень, перемещающийся в нем с образованием двух попеременно действующих оппозитно расположенных рабочих камер сжатия, а также систему для нагнетания газа в зазор его цилиндропоршневой пары. В нем поршень выполнен в виде соединенных с помощью промежуточного штока пустотелых втулок и возвратно-поступательно перемещается внутри цилиндра под действием приводного кривошипно-ползунного механизма, а система нагнетания газа в зазор образована радиальными дроссельными каналами, выполненными в боковой стенке поршня с выходом в зазор, и двумя накопительными полостями в поршне, в которые из рабочих камер сжатия отбирается часть нагнетаемого тела. (RU 2098662, 10.12.1998).
При работе компрессора газ, подаваемый в зазор из рабочей камеры сжатия через промежуточную накопительную полость в поршне, предназначен для обеспечения подвеса поршня, однако не создает подпора, встречного утечкам нагнетаемого тела, а выполнение поршня и приводного механизма для его перемещения, принятое в этом аналоге, обуславливает громоздкость и конструктивную усложненность компрессора, ограничивающих его использование. Но к основному недостатку таких компрессоров следует отнести использование низкоэффективной системы для нагнетания газа в зазор бесконтактной цилиндропоршневой пары, что в результате приводит к снижению выходных рабочих параметров компрессоров.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого компрессора по числу совпадающих существенных признаков является компрессор двойного действия (RU 2154190, 2000 г.), содержащий клапанные системы всасывания и нагнетания газа, основную бесконтактную цилиндропоршневую пару, имеющую цилиндр с торцевыми крышками и поршень, перемещающийся в нем под действием приводного механизма с образованием двух оппозитных попеременно действующих рабочих камер сжатия, подключенных к системам всасывания и нагнетания, а также систему для нагнетания газа в упомянутый зазор между этими цилиндром и поршнем от автономной камеры сжатия через радиальные дроссельные каналы в поршне.
В прототипе цилиндрической формы поршень имеет внутреннюю полость, сообщающуюся с автономной камерой сжатия, которая образована дополнительной цилиндропоршневой парой. Цилиндр этой дополнительной пары закреплен неподвижно на торцевой крышке основного цилиндра снаружи, а поршень посредством штока закреплен также снаружи, на торце основного поршня и перемещается внутри своего цилиндра под действием перемещения основного поршня. Газ в автономную камеру сжатия может подаваться от отдельного источника и в фазе нагнетания по сквозному осевому каналу, выполненному в поршне этой пары и его штоке, поступает во внутреннюю накопительную полость основного поршня, а затем через радиальные каналы в стенке поршня - в требуемый зазор для обеспечения подвеса поршня.
К недостаткам прототипа следует отнести громоздкость и конструктивную усложненность компрессора, обусловленные громоздкостью приводного механизма, системой для нагнетания сжатого газа в зазор с накопительной полостью в поршне, значительно отдаленной от зазора автономной камерой сжатия и вызванной этим протяженной сетью коммуникационных каналов.
Другим его недостатком является недостаточная эффективность и функциональность системы для нагнетания газа в зазор: она не обеспечивает встречного подпора вероятным утечкам нагнетаемого тела компрессора в зоне зазора, поэтому в нем приходится использовать дополнительные уплотнительные средства, размещение которых в цилиндропоршневой паре усложняет и утяжеляет ее, может явиться причиной снижения ресурса работы компрессора. Выполнение системы нагнетания газа в зазор с одной односторонне расположенной автономной камерой сжатия, накопительной полостью в поршне, протяженной сетью коммуникационных каналов и потерей давления на входе накопительной полости требует работы этой камеры с повышенной мощностью. В результате в прототипе снижены экономичность и КПД, качество и ресурс работы компрессора, ограничена область его использования.
Технический результат, получаемый от реализации этого изобретения, состоит в повышении производительности, качества и ресурса работы поршневого компрессора непрерывного действия путем предотвращения утечек нагнетаемого рабочего тела и непроизводительного его расхода; в конструктивном упрощении и обеспечении компактности компрессора.
Заявленный технический результат достигается тем, что компрессор двойного действия, содержащий клапанные системы всасывания и нагнетания газа, основную бесконтактную цилиндропоршневую пару, имеющую цилиндр с торцевыми крышками и поршень, перемещающийся в нем под действием приводного механизма с образованием двух оппозитных попеременно действующих рабочих камер сжатия, подключенных к системам всасывания и нагнетания, а также систему для нагнетания газа в зазор между этими цилиндром и поршнем от автономной камеры сжатия через радиальные дроссельные каналы в поршне, согласно изобретению снабжен второй системой для нагнетания газа в упомянутый зазор, размещенной оппозитно первой, и обе системы выполнены обеспечивающими встречный газовый подпор нагнетаемому рабочему телу в зоне этого зазора, причем автономная камера сжатия каждой из систем образована дополнительной цилиндропоршневой парой, размещенной внутри основной цилиндропоршневой пары, расположена концентрично рабочей камере сжатия, внутри ее или снаружи, и подключена к системе всасывания, и при этом концентричные друг другу рабочая и автономная камеры сжатия подключены своими входами к впускному окну системы всасывания, например, через бесконтактный впускной клапан таким образом, что в фазе нагнетания на входе рабочей камеры потоком сжатого газа из автономной камеры в зазор клапана обеспечивается встречный подпор нагнетаемому рабочему телу в этой зоне.
В частных случаях исполнения дополнительные отличия заключаются в том, что:
- поршень основной цилиндропоршневой пары выполнен в виде диска со ступицей, которой он установлен на вращающемся приводном валу с возможностью вращения вместе с ним, и механизмом линейного перемещения поршня служит неподвижно закрепленный на крышке цилиндра шип с роликом, взаимодействующий с криволинейным пазом на ступице;
- цилиндр дополнительной цилиндропоршневой пары образован наружной поверхностью ступицы и кольцевым выступом на основном поршне;
- бесконтактный впускной клапан системы всасывания образован взаимодействующими внутренними стенками впускного окна системы, расположенного при этом в торцевой крышке основного цилиндра параллельно дополнительной цилиндропоршневой паре, и наружной стенки цилиндра этой пары, снабженной рядом сквозных отверстий, при этом для обеспечения встречного подпора в зоне зазора клапана на стенке цилиндра имеется поднутрение;
- на боковой поверхности основного поршня по месту выхода радиальных дроссельных каналов выполнены кольцевые выемки;
- торцевые крышки цилиндра основной цилиндропоршневой пары выполнены в виде клапанных плит.
На фиг.1 и 2 дана схема предлагаемой системы нагнетания газа в зазор (пример) в фазе всасывания и нагнетания соответственно; на фиг.3 - общий вид предлагаемого компрессора двойного действия в разрезе, пример; на фиг.4,5,6 - вариант исполнения компрессора (пример), в двух крайних и промежуточном положениях поршня; на фиг.7 - поршень в изометрии; на фиг.8 - пример взаимного размещения камер сжатия.
Система (фиг.1) для нагнетания сжатого газа в зазор бесконтактной цилиндропоршневой пары 1, состоящей из цилиндра 2 и поршня 3, подвижного в нем с образованием рабочей камеры сжатия 4 компрессора, содержит автономную камеру сжатия 5, образуемую при взаимодействии дополнительной цилиндропоршневой пары, цилиндр 6 которой выполнен, например, в виде полости в торце поршня 3, а поршнем 7 служит ответный выступ на крышке цилиндра 2. Камера 5 сообщается с радиальными каналами 8, выполненными в поршне 3 с выходом в зазор 9, и подключена к отдельному источнику питания (не показан) или, например, как в конкретном примере исполнения, к той же системе всасывания компрессора, что и его рабочая камера 4 (фиг.4).
Подача сжатого газа в зазор 9 осуществляется следующим образом. От источника питания, например системы всасывания компрессора, в автономную камеру сжатия 5 поступает газ одновременно с наполнением рабочей камеры 4. При перемещении основного поршня 3 в сторону нагнетания газ в рабочей камере перед поршнем 3 сжимается и направляется в систему нагнетания. При этом часть нагнетаемого газа стремится через зазор 9 в зону низкого давления, расположенную за поршнем 3, но встречно направленный ему подпор сжатым газом, создаваемый потоком, нагнетаемым в зазор из камеры 5 одновременно с началом нагнетания в рабочей камере и на всем его протяжении, предотвращает утечки рабочего тела через зазор 9. Это обеспечивается тем, что с началом перемещения поршня 3 в сторону нагнетания одновременно поршнем 7 газ в цилиндре 6 сжимается и по каналам 8 моментально и без потерь давления нагнетания благодаря максимально возможному приближению камеры сжатия 5 к зазору 9 (практически на высоту каналов 8) поступает в этот зазор, исключая снижение нагнетательного давления в рабочей камере, при этом обеспечивая попутно требуемое уплотнение зазора 9 и при необходимости центрирование / подвес поршня 3. Известные аналоги функцию эффективного встречного подпора не обеспечивают по причинам, указанным выше, т.к. в них для подачи в зазор используется газ, нагнетаемый рабочей камерой или автономной камерой сжатия газ, поступающий сначала в накопительную полость в поршне и только из нее в зазор 9, т.е. с потерей давления нагнетания.
Соотношением объемов камер 4 и 5, а также камеры 5 и каналов 8 между собой и с зазором 9 в предлагаемой системе можно регулировать выходные параметры компрессоров в целях формирования типоразмерного ряда этих устройств.
Система универсальна и может применяться в поршневых компрессорах, как одинарного, так и двойного действия, с любым эксплуатационным расположением оси основной цилиндропоршневой пары.
1
1
1
1
1
1
Предлагаемый компрессор двойного действия (фиг.3) содержит основную бесконтактную цилиндропоршневую пару 1, состоящую из цилиндра 2 и поршня 3, возвратно-поступательно перемещающегося внутри цилиндра 2 с образованием двух оппозитных рабочих камер сжатия 4 и 4. Каждая из двух автономных камер сжатия 5 и 5 образуется при взаимодействии дополнительной цилиндропоршневой пары, содержащей цилиндр 6 в виде замкнутой полости, например кольцевой, выполненной в торце поршня 3, и поршень 7, и в комплексе с сообщающимися с ней радиальными каналами 8 в поршне 3, имеющими выход в зазор 9, образует систему для нагнетания сжатого газа в этот зазор. Цилиндр 2 имеет торцевые крышки 10 и 11 и выступ в каждой из них, обращенный в сторону цилиндра 6 и соосный ему, является поршнем 7. Выполнение дополнительной цилиндропоршневой пары может иметь и другой конструктивный вид, а размещена она таким образом, что обеспечивает расположение камер сжатия 5,5 внутри поршня концентрично рабочим камерам сжатия 4,4. Это обеспечивает конструктивную компактность компрессора и максимально возможное приближение автономных камер сжатия к зазорам 9, необходимое для улучшения эксплуатационных показателей компрессоров. В вариантах исполнения камеры 5,5 располагаются внутри камер 4, 4 (фиг 3-6) или снаружи их (фиг 8).
Конструктивное выполнение системы всасывания 12 с впускными окнами 13 и системы нагнетания 14 с клапанами 15 и их размещение на узлах компрессора вариантно выбирается в зависимости от конкретного конструктивного исполнения компрессора, например они могут размещаться в торцевых крышках 10 и 11 или в боковых стенках цилиндра 2, вместе или по отдельности.
1
1
Камеры сжатия 4, 4 и камеры сжатия 5, 5 своими входами посредством клапанов 16 подсоединены к впускным окнам 13 системы всасывания 12. Рабочие камеры сжатия подключены к системе нагнетания 14 через клапаны 15.
1
Клапаны 16 могут быть выполнены бесконтактными, например образованы входящим в окно 13 выступающим элементом, расположенным на торце поршня 3. В этом случае предусмотрена подача сжатого газа в зазор между взаимодействующими элементами клапана 16 из камеры 5 (5) на всем протяжении фазы нагнетания в рабочей камере для обеспечения встречного подпора нагнетаемому рабочему телу во избежание его утечек и в зоне этого зазора. Выполнение системы всасывания с бесконтактным впускным клапаном повышает уровень работоспособности системы и компрессора в целом.
Для обеспечения возвратно-поступательных перемещений поршня 3 имеется приводной механизм 17, который выполняется любым целесообразным образом, определяемым назначением и параметрами конкретного компрессора.
Сущность изобретений поясняется на конкретном примере выполнения компрессора двойного действия (фиг.4 - 6), особенности которого в сравнении с описанными выше заключаются в следующем. В нем:
-поршень 3 выполнен в виде диска со ступицей 18, которой он установлен на приводном валу 19 с возможностью вращения вместе с ним;
-механизм 17 представляет собой шип 20 с роликом, взаимодействующий при вращении вала 19 с криволинейным пазом 21 на ступице 18, связанной с валом 19 шлицевым или каким-либо другим аналогичным соединением;
-торцевые крышки 10 и 11 выполнены в виде клапанных плит, и системы 12 и 14 размещены в этих крышках: система 12 с впускными окнами 13 - с выходом в торцевой плоскости крышек, а система 14 с клапанами 15 - с выходом на боковую поверхность;
-цилиндр 6 образован обращенными друг к другу наружной поверхностью 22 ступицы 18 и внутренней поверхностью кольцевого выступа 23 на торце диска;
-клапан 16 выполнен бесконтактным и образован взаимодействующим с впускным окном 13 кольцевым выступом 23, имеющим при этом поднутрение 24, круговую канавку 25 и ряд выходящих в нее сквозных отверстий 26;
-на наружной цилиндрической поверхности диска поршня 3 имеются кольцевые выемки 27, выполнение которых необходимо для обеспечения равномерно распределенного по диаметру поршня подпора;
- на кольцевом выступе 23 предусмотрены направляющие элементы 28 для поддержания постоянным его взаимодействия с впускным окном 13.
При использовании этого компрессора, например, в качестве нагнетателя ДВС его работа осуществляется следующим образом.
При крайнем правом (фиг.4) положении поршня 3 впускной клапан 16 в крышке 10 открыт и всасываемый воздух из впускного окна 13 через зазор 29 заполняет камеры 4 и 5. От вращения вала 19 поршень 3 получает вращение и от взаимодействия шипа 20 с криволинейным пазом 21 - линейное перемещение вдоль оси вала 19 в направлении к крышке 10. При таком перемещении поршня 3 объем камеры 4 будет уменьшаться (фаза нагнетания рабочего тела) и воздух из нее будет выдавливаться через клапан 15 в систему 14 и оттуда с рабочим давлением нагнетания потребителю. Одновременно с этим нагнетаемый воздух из камеры 4 поступит в зазор 9 (будет стремиться в сторону низкого давления за поршнем 3). Дальнейшее его продвижение в сторону низкого давления будет остановлено встречным подпором газа, нагнетаемого из камеры 5 в зазор 9 через каналы 8, который обеспечивается тем, что одновременно с линейным перемещением поршня 3 поршень входит в цилиндр 6 и уменьшение объема камеры 5 (фаза нагнетания) происходит встречно фазе нагнетания камеры 4. При этом газ из камеры 5 через поднутрения 24, канавку 25 и отверстия 26 поступает в зазор бесконтактного клапана 16, создавая аналогичный встречный подпор в зоне этого зазора и тем самым замыкая рабочую камеру 4, что способствует повышению КПД компрессора.
1
1
После прихода поршня 3 в крайнее левое положение (фиг.6) работа камеры 4 завершена и начинается всасывание воздуха через впускное окно в торцевой крышке 11 в камеры 4 и 5. Противоположным первоначальному вращением приводного вала 19 поршень 3 получает линейное перемещение в сторону крышки 11 (вправо на фиг.6) и работа компрессора осуществляется в аналогичном описанному выше режиме, с той лишь разницей, что передача нагнетаемого тела потребителю будет осуществляться через систему 14 с клапаном 15, размещенную в крышке 11.
Предлагаемый компрессор двойного действия в сравнении с известными отличается компактностью и экономичностью как в изготовлении, так и в эксплуатации, высоким КПД и продолжительным ресурсом работы при любом расположении оси его основной цилиндропоршневой пары. В компрессоре, представленном на фиг.4-6, нет необходимости в подвесе или центрировании поршня, т.к. цилиндропоршневая пара 1 в нем выполнена с жестко сбалансированным по оси компрессора устойчивым положением благодаря размещению поршня 3 на валу 19, установленном по оси компрессора в двух подшипниках, базирующихся в осевых выемках торцевых крышек 10 и 11, а цилиндр 2 и его торцевые крышки жестко связаны между собой (т.е. ось внутренней расточки цилиндра 2, оси расточек под подшипники, ось вала 19 и оси камер сжатия и систем нагнетания являются одной осью). Однако используемая в нем система для нагнетания рабочего тела в зазор пары 1 в других частных случаях исполнения компрессоров при необходимости позволяет обеспечить и функции подвеса.