ПОРШНЕВОЙ КОМПРЕССОР С БЕСШАТУННЫМ МЕХАНИЗМОМ
PISTON-TYPE COMPRESSOR WITH GEAR WITHOUT PISTON-ROD

Изобретение относится к области компрессоростроения, а именно к поршневым многоцилиндровым компрессорам возвратно-поступательного конструктивного исполнения с бесшатунным механизмом.
Известны быстроходные компрессоры серии TORNADO с цилиндрами компрессорного блока, оппозитно расположенными в горизонтальной плоскости. В механизме движения компрессоров содержится шатунная группа (см., например, Компресс. техн. и пневмат. 2008, №5, с.21-22, 48, 3 ил. Рус; рез. англ.).
Недостатками известного компрессора являются неуравновешенность сил инерции, низкий механический КПД, неравномерный износ стенок цилиндропоршневой группы из-за возникающих боковых усилий на поршень машины. Наряду с этим для быстроходных компрессоров характерен высокий уровень газодинамических потерь и ограниченная работоспособность самодействующих клапанов.
Известен компрессор с эксцентриковым ротором, содержащий корпус с размещенной в его пазу лопастью, установленный в корпусе эксцентриковый вал с ротором, взаимодействующим в режиме качения с лопастью. Контакт лопасти с ротором осуществляется с помощью пружины и давления нагнетаемого газа, действующего на торец лопасти, противоположный торцу взаимодействия с ротором. В этой конструкции лопасть разделяет рабочую полость на две камеры. Компрессор работает без всасывающего клапана, а камера сжатия и нагнетания содержит самодействующий клапан (см. Холодильные компрессоры/А.В. Быков, Э.М. Бежанишвили, И.М. Калнинь и др.; под ред. А. В. Быкова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Колос, 1992. - 304 с).
Недостатками данного типа компрессора являются наличие в динамике неуравновешенной силы инерции поступательного движения, неудовлетворительная герметизация рабочих камер разного давления, что влечет к уменьшению производительности, а также увеличенное сравнительно с поршневыми компрессорами содержание масла в сжимаемом газе. Пружина и давление газа вызывают появление дополнительных контактных напряжений в зоне взаимодействия пластины с ротором, что снижает надежность работы компрессора. Кроме того, ограниченная толщина пластины для уменьшения ее массы приводит к малым значениям эксцентриситета и снижению производительности компрессора.
Также известен многоцилиндровый поршневой бесшатунный компрессор, содержащий корпус, впускные и выпускные клапаны и поршни. Механизм привода компрессора состоит из ведущего колеса, выполненного в виде двух цилиндров аксиального типа, большее из которых имеет обод трапецеидальной формы. Ведущее колесо соединено с поршнями при помощи направляющих, имеющих со стороны поршней головки, а со стороны ведущего колеса направляющий паз (см. Патент RU 2290535, опубликован 27.12.2006).
Недостатками такого устройства являются наличие в механизме многочисленных передаточных звеньев, конструктивно нетехнологичных, имеющих опасное с точки зрения жесткости и прочности сечение в районе головки; возможность заклинивания вследствие перекосов при работе в паре направляющая-поршень, элементы которой контактируют по поверхности, имеющей клиновидную форму; повышенное трение в вышеупомянутых звеньях, повышенная вибрация и уровень шума.
Техническим результатом изобретения является обеспечение динамической уравновешенности движущихся частей, уменьшение числа передаточных звеньев, обеспечение компактности устройства, снижение потерь мощности на механическое трение, уменьшение металлоемкости конструкции, повышение надежности и долговечности, упрощение процесса сборки, а также снижение уровня вибрации и шума.
Технический результат изобретения достигается за счет того, что поршневой компрессор с бесшатунным механизмом содержит эксцентриковый вал с установленным на нем ротором, по меньшей мере две пары оппозитных цилиндров, оси которых перпендикулярны оси эксцентрикового вала и внутри каждого из которых размещен с возможностью возвратно-поступательного движения поршень, взаимодействующий с ротором, при этом каждый поршень имеет выступ, продолговатый в направлении, перпендикулярном оси ротора и оси соответствующего цилиндра, причем поверхность выступа взаимодействует с поверхностью ротора, а поршни каждой пары оппозитных цилиндров соединены между собой, по меньшей мере, одним соединительным элементом, выполненным в виде стяжки, охватывающей соответствующие концы выступов соответствующей пары поршней и ротор.
Компрессор включает, преимущественно, два соединительных элемента.
Кроме того, взаимодействующие с ротором поверхности выступов поршней каждой пары оппозитных цилиндров выполнены плоскими и параллельными друг другу.
Кроме того, каждый поршень размещен в соответствующем цилиндре на направляющих.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан поперечный разрез компрессора; на фиг.2 показано сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 показан вид Б на фиг.1; на фиг.4 - вид В на фиг.1.
Поршневой компрессор с бесшатунным механизмом содержит две пары оппозитно расположенных цилиндров 1 с размещенными в них с возможностью возвратно-поступательного движения поршнями 2, причем угол между осями соответствующих оппозитных пар цилиндров 1 составляет 90 градусов. Поршневой компрессор содержит механизм преобразования движения, выполненный в виде эксцентрикового вала 3, на эксцентрике которого с возможностью вращения установлен ротор 4. Ротор 4 взаимодействует своей внешней рабочей поверхностью с плоскими поверхностями выступов 10 поршней 2, выполненных продолговатыми в направлении, перпендикулярном оси ротора 4 и оси соответствующего цилиндра 1, при этом плоская поверхность выступа 10 каждого поршня 2 представляет собой рабочую площадку. Оси оппозитных цилиндров 1 перпендикулярны оси эксцентрикового вала 3. Взаимодействие ротора 4 с плоскими площадками выступов 10 поршней 2 осуществляется путем качения ротора 4 по данным площадкам, обеспечивая, тем самым, возвратно-поступательное движение поршней 2.
Ширина ротора 4 соответствует ширине эксцентриковой части вала 3.
Возвратно-поступательное движение поршней 2 осуществляется по установленным в цилиндрах 1 направляющим 5, обеспечивающим прямое перемещение поршней 2, а также предотвращающим поворот поршней 2 относительно осей цилиндров 1.
Противолежащие поршни 2 каждой пары оппозитных цилиндров 1 соединены между собой посредством двух соединительных элементов, выполненных в виде стяжек 6, охватывающих соответствующие концы выступов 10 соответствующей пары поршней 2 и ротор 4, обеспечивая его свободный проход через стяжки 6. Каждая стяжка 6 представляет собой цепь, при этом ее формы и размеры для соседних оппозитных пар цилиндров 1 обеспечивают их взаимное перемещение. Кроме того, стяжки 6 обеспечивают параллельность плоских площадок соответствующих выступов 10 поршней 2 соответствующей пары оппозитных цилиндров 1, а также необходимое расстояние между ними, равное диаметру ротора 4, благодаря чему происходит непрерывное возвратно-поступательное движение поршней 2 при вращении эксцентрикового вала 3 с ротором 4.
Каждый цилиндр 1 оснащен кольцевым самодействующим комбинированным клапаном 7, пропускающим газ из полости всасывания в полость нагнетания.
Эксцентриковый вал 3 размещен на опорах 8 скольжения и имеет симметрично расположенные противовесы 9.
Поршневой компрессор работает следующим образом. Вращение эксцентрикового вала 3 передается через подшипниковое соединение ротору 4, который катится по плоским площадкам выступов 10 поршней 2 в плоскости, перпендикулярной оси вала.
При рабочем ходе поршня 2 (сжатие газа с последующим нагнетанием), за счет качения ротора 4 по плоской площадке, соответствующие звенья цепи (стяжки 6) обеспечивают движение оппозитно расположенных поршней 2, преодолевая силы инерции, реализуя в одной полости одного поршня 2 процесс всасывания, а в другой полости другого поршня 2 - процесс нагнетания. Работа второй цилиндропоршневой группы аналогична и смещена по фазе на 90 градусов.
Суммарный вектор сил инерции поступательного движения для всех рядов в предлагаемой кинематической схеме постоянен по величине и направлен вдоль межцентровой линии вала 3 и его эксцентрика. С помощью противовесов 9 достигается статическая и динамическая уравновешенность компрессора.
Таким образом, принятые конструктивные решения позволяют уменьшить габаритные размеры и удельную массу компрессора, сравнительно с известными схемами шатунно-поршневого типа. Это обеспечивается за счет оппозитного расположения пар цилиндров 1, соединения поршней 2 в них звеньями цепи (стяжками 6). Наличие симметричных противовесов 9 обеспечивает уравновешенность движущихся частей компрессора. При этом повышается скорость вращения вала 3, уменьшается количество узлов трения, сокращаются потери мощности, увеличиваются надежность и долговечность компрессора. Появляется возможность упрощения технологического процесса изготовления и сборки отдельных деталей и узлов, за счет применения простых по форме стяжек 6.