Поршневой компрессор

Настоящая полезная модель относится к области компрессорного оборудования высокого давления, а именно к конструкции поршневых компрессоров, обеспечивающих сжатие воздуха или газа для различных потребителей, в частности к конструкции компрессорных станций, устанавливаемых на военных кораблях и судах гражданского назначения.
Специфическими требованиями, предъявляемыми к судовым компрессорным установкам, являются:
- требование к высокому давлению воздуха (от 10 до 20 МПа) для обеспечения большого запаса воздуха в ограниченном объеме воздушных баллонов;
- требования к минимальным габаритным размерам;
- требования к удобству обслуживания (удобство сборки и разборки в условиях эксплуатации).
Известен компрессорный агрегат, включающий поршневой компрессор, силовой привод и блок управления, при этом компрессор размещен в кожухе и содержит механизм движения, образованный в виде горизонтально расположенного коленчатого вала, соединенного приводными шатунами с расположенными в цилиндрах первой и второй ступеней поршнями, а также с силовым приводом, при этом коленчатый вал компрессора выполнен неразъемным с возможностью установки на него коренных подшипников качения и подшипников качения в нижних головках шатунов (патент РФ №151469, МПК F04B 39/00, публикация 2015 г.).
Известный двухступенчатый компрессорный агрегат не обеспечивает получения сжатого воздуха высокого давления (от 10 до 20 МПа), а горизонтальное расположение коленчатого вала и соосное расположение силового привода приводят к увеличению линейного размера и занимаемой компрессорным агрегатом площади, что не обеспечивает минимальных габаритных размеров, при этом конструкция не обеспечивает удобство технического обслуживания, сборку, разборку с демонтажем коленчатого вала, с коренными подшипниками качения и подшипниками качения в нижних головках шатунов, извлечение которых затруднительно производить в условиях эксплуатации, так как связано с необходимостью демонтировать опоры электродвигателя, электродвигатель, демонтировать компрессор с рамы, и разобрать весь компрессор.
Известны различные конструкции поршневых компрессоров, содержащих механизм движения с вертикальным расположением коленчатого вала, например, трехступенчатый поршневой компрессор высокого давления «WP3215-100 Comsilent» фирмы J.P.SAUER&SOHN, содержащий корпус с тремя цилиндрами, расположенными веерообразно в горизонтальной плоскости, и механизм движения, включающий вертикально установленный в верхнем и нижнем коренных подшипниках скольжения коленчатый вал, соединенный приводными шатунами с расположенными в цилиндрах поршнями.
К недостаткам известного компрессора относится его низкая ремонтопригодность, поскольку для установки вертикального коленчатого вала использованы коренные подшипники скольжения, требующие обеспечения очень точной центровки посадочных отверстий коленчатого вала, что затрудняет возможность технического обслуживания в процессе эксплуатации.
Наиболее близким к предлагаемому компрессору в части конструктивного выполнения его механизма движения является поршневой звездообразный четырехступенчатый компрессор высокого давления, механизм движения которого образован в виде вертикально установленного в верхнем и нижнем коренных подшипниках коленчатого вала, соединенного четырьмя приводными шатунами с поршнями, размещенных в рабочих цилиндрах, которые расположены веерообразно под углом под 90° друг к другу (патент Китая №103452798, МПК F04B 27/053, F04B 35/04, публикация 2013 г.).
Количество ступеней в известном компрессоре достаточно для сжатия воздуха до высокого давления (от 10 до 20 МПа), вертикальное расположение коленчатого вала и соосное (также вертикальное) расположение силового привода приводят к уменьшению занимаемой компрессорном площади, и обеспечивают минимальные габаритные размеры.
К недостаткам известного компрессора относится сложность его технического обслуживания и эксплуатации, поскольку конструкция коренных подшипников скольжения вертикально установленного коленчатого вала затрудняет его сборку и разборку, связанную с демонтажем коленчатого вала. Извлечение и монтаж коленчатого вала невозможно производить в условиях эксплуатации, так как это связано с необходимостью обеспечения высокой точности по диаметру и соосности подшипников скольжения, а именно обеспечить равномерный зазор 0,08-0,12 мм для образования масляного клина (малейший перекос недопустим, а большой зазор вызовет биение), и при этом для извлечения коленчатого вала необходимо демонтировать шатуны, доступ к которым отсутствует и требует полной разборки компрессора.
Задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, повышение удобства обслуживания, разборки и сборки компрессора, содержащего механизм движения с вертикально расположенным коленчатым валом и его ремонтопригодности.
Технический результат, обеспечиваемый предлагаемой полезной моделью, заключается в повышении удобства обслуживания, разборки и сборки компрессора, а именно в повышении ремонтопригодности компрессора, содержащего механизм движения с вертикально расположенным коленчатым валом.
Сущность предложенного технического решения заключается в следующем.
Четырехступенчатый поршневой компрессор высокого давления содержит корпус с четырьмя цилиндрами, расположенными веерообразно в горизонтальной плоскости под углом 90° друг к другу, и механизм движения, включающий вертикально установленный в верхнем и нижнем коренных подшипниках коленчатый вал, соединенный приводными шатунами с расположенными в цилиндрах поршнями, при этом в качестве верхнего и нижнего коренных подшипников коленчатого вала использованы самоустанавливающиеся сферические роликоподшипники.
В корпусе компрессора предусмотрены люки для доступа к шатунам.
Во всех цилиндрах в торцевой, доступной для обслуживания части установлены комбинированные концентрические клапаны.
Самоустанавливающийся подшипник - это подшипник качения, допускающий угловое смещение и угловое перемещение осей дорожек качения, так как одна из дорожек качения имеет сферическую форму (ГОСТ 520-2011 Подшипники качения. Общие технические условия).
Сферические роликоподшипники имеют два ряда роликов, общую сферическую дорожку качения на наружном кольце и две дорожки качения на внутреннем кольце, которые расположены под углом к оси подшипника Центр сферической поверхности качения в наружном кольце совпадает с осью подшипника. Благодаря такой конструкции сферические роликоподшипники являются самоустанавливающимися и нечувствительны к перекосам вала относительно корпуса, которые могут возникать, например, по причине деформации вала. Сферические роликоподшипники предназначены для работы в условиях тяжелых радиальных нагрузок, а также тяжелых осевых нагрузок в обоих направлениях (источник информации - официальный сайт компании SKF http://www.skf.com/ru/products/bearings-units-housings/roller-bearings/ spherical-roller-bearings/index.html).
На фиг. 1 представлен механизм движения компрессора, на фиг. 2 поперечный разрез компрессора, на фиг. 3 продольный разрез компрессора.
Поршневой компрессор содержит механизм движения (см. фиг. 1), который включает в себя коленчатый вал 1 с противовесами 2, верхний коренной подшипник 3, нижний коренной подшипник 4, приводной шатун первой ступени 5, приводной шатун второй ступени 6, приводной шатун третьей ступени 7, приводной шатун четвертой ступени 8, поршень первой ступени 9, поршень второй ступени 10, поршень третьей ступени 11, поршень четвертой ступени 12.
Компрессор (см. фиг. 2 и 3) содержит корпус 13, цилиндр первой ступени 14, цилиндр второй ступени 15, цилиндр третьей ступени 16, цилиндр четвертой ступени 17, комбинированные (всасывающие и нагнетательные) клапаны первой ступени 18, второй ступени 19, третьей ступени 20, четвертой ступени 21. В корпусе 13 предусмотрены лючки 22 для обслуживания, например, для обеспечения откручивания болтов на шатунах 5-8, для демонтажа клапанов 18-21 предусмотрены легкодоступные крышки для демонтажа клапанов: крышка клапана первой ступени 23, крышка клапана второй ступени 24, крышка клапана третьей ступени 25, крышка клапана четвертой ступени 26. В верхней части компрессора предусмотрен фланец для крепления к приводу, и размещена крышка 27, через которую демонтируется коленчатый вал, в нижней части компрессора предусмотрен фланец, к которому закреплен масляный бак 28. Для установки нижнего коренного подшипника 4 в корпусе 13 выполнена проточка с упором, для установки верхнего коренного подшипника 3 выполнена проточка в крышке 27. Указанные проточки соосны.
В качестве коренных подшипников 3 и 4 используются сферические роликоподшипники, обеспечивающие легкость сборки и разборки, за счет самоцентрируемости (самоустановки), а также способные выдерживать как радиальные усилия от поршней направленные перпендикулярно оси коленчатого вала, так и осевые усилия от веса механизма движения направленные вниз вдоль оси коленчатого вала, характерные для компрессоров с вертикальным коленчатым валом.
Компрессор работает следующим образом.
Коленчатый вал 1 (см. фиг. 1, 2 и 3) при вращении в подшипниках 3 и 4 с помощью шатунов 5-8 сообщает поступательное движение поршням первой 9, второй 10, третьей 11, четвертой 12 ступеней соответственно. Атмосферный воздух поступает на всасывание первой ступени компрессора. Воздух сжимается в цилиндре первой ступени 14 поршнем первой ступени 9, после чего через комбинированный клапан 18 выходит в полость нагнетания, далее воздух направляется во вторую ступень, где сжимается в цилиндре второй ступени 15 поршнем второй ступени 10, после чего через комбинированный клапан 19, выходит в полость нагнетания, далее воздух направляется в третью ступень, где сжимается в цилиндре третьей ступени 16 поршнем третьей ступени 11, после чего через комбинированный клапан 20, выходит в полость нагнетания, далее воздух направляется в четвертую ступень, где сжимается в цилиндре четвертой ступени 17 поршнем четвертой ступени 12, после чего через комбинированный клапан 21, выходит в полость нагнетания. Противовесы 2 установленные на коленчатом валу 1 предназначены для уравновешивания сил инерции от поршневых сил и балансировки коленчатого вала.
Разборка компрессора в условиях эксплуатации может производиться следующим образом. После демонтажа привода с фланца в верхней части корпуса 13 через лючки 22 производится откручивание болтов на шатунах 5-8, шатуны снимаются с шатунной шейки коленчатого вала и отводятся к стенкам корпуса без демонтажа поршней, далее снимается вверх крышка 27, и коленчатый вал 1 с противовесами 2, подшипниками 3 и 4 вынимается через верхнее отверстие в корпусе 13. При разборке не требуется слива масла, демонтажа маслобака, демонтажа всех трубопроводов, слива воды из системы охлаждения. Сборка компрессора производится в обратном порядке.
Использование в коренных опорах вертикально расположенного коленчатого вала вместо подшипников скольжения сферических роликоподшипников, менее требовательных к точности изготовления, позволяет улучшить его ремонтопригодность и снизить трудоемкость изготовления поршневого компрессора.