УРАВНОВЕШЕННЫЙ КОМПРЕССОР С БЕСКОНТАКТНЫМ УПЛОТНИТЕЛЕМ

Полезная модель относится к области компрессоростроения и может быть использовано при создании поршневых компрессоров, предназначенных для сжатия чистых газов, к которым предъявляются высокие требования по ресурсу работы и отсутствию вибраций, создаваемых компрессором.
6
Известен уравновешенный компрессор с бесконтактным уплотнением, содержащий картер и, по крайней мере, один цилиндр с размещенным в нем поршнем, газораспределительные органы и привод движения поршня в виде пластины с пазом и двух эксцентриков (RU №2334877, М. кл. F04В 25/00, 35/00, 2008).
6
Известен также уравновешенный компрессор с бесконтактным уплотнением, содержащий картер и, по крайней мере, один цилиндр с размещенным в нем поршнем, газораспределительные органы и привод движения поршня в виде пластины с пазом, штока и двух эксцентриков, валы которых соединены синхронизирующими шестернями (RU №2296241, М. кл. F04В 25/00, 2007, фиг.6).
Недостатком известных конструктивных решений является их низкая экономичность в связи с тем, что для обеспечения работоспособности при различных режимах работы и соответствующих этим режимам теплонапряженности поршня и цилиндра возникает большая разность в их температурах, что грозит исчезновению зазора и заклиниванию, в связи с их разным тепловым расширением, и предполагает изготовление цилиндропоршневой пары с большим начальным радиальным зазором (например, при диаметре цилиндра около 40 мм этот зазор должен быть не менее 20 мкм), который приводит к большим утечкам и снижению экономичности. Устранение этого явления возможно путем изготовления поршня и цилиндра из материалов с низким коэффициентом линейного расширения (керамика, сплавы с высоким содержанием никеля) или применение сборной конструкции цилиндра, имеющего специальный профиль (см. кн. Болштянский А.П., Белый В.Д., Дорошевич С.Э. Компрессоры с газостатическим центрированием поршня. Омск, изд-во ОмГТУ, 2002. - 406 с, стр.279, стр.281, рис.11.5). Однако, в этом случае существенно возрастает стоимость компрессора и снижается его конкурентоспособность.
Задачей полезной модели является повышение экономичности уравновешенного компрессора с бесконтактным уплотнением.
Данный технический результат достигается тем, что синхронизирующие шестерни установлены в герметичном корпусе, охватывающем контур и торцовые поверхности шестерен, и имеющем входное и выходное отверстия, причем входное отверстие размещено в зоне расхождения зубьев шестерен и соединено с картером, который частично заполнен смазочно-охлаждающей жидкостью выше уровня этого отверстия, а выходное отверстие размещено в зоне схождения зубьев шестерен и соединено с полостями, размещенными в теле цилиндра и поршня.
Сущность предложенной полезной модели поясняется чертежами.
На фиг.1 схематично изображено сечение компрессора по оси цилиндропоршневой группы.
На фиг.2 показано сечение А-А картера компрессора по осям ведущего и ведомого валов.
На фиг.3 изображен повернутый вид Б сзади компрессора с сечением в зоне плоскости синхронизирующих шестерен.
Компрессор состоит (фиг.1) из частично заполненного смазочно-охлаждающей жидкостью картера 1 с крышкой 2, на которой установлен цилиндр 3 с размещенным в нем поршнем 4 с бесконтактным уплотнением. Газораспределительные органы размещены в клапанной коробке и состоят из всасывающего клапана 5 и нагнетательного клапана 6, которые соединены с камерой сжатия 7 цилиндра 3, а также с источником и потребителем газа (показано стрелками). Между поршнем 3 и цилиндром 2 имеется радиальный зазор 8. Крышка 2 картера 1 содержит жидкостную полость 9, которая через канал 10 соединена с жидкостной кольцевой полостью 11 цилиндра 3. В свою очередь, полость 9 через канал 12 (фиг.3) соединена с выходным отверстием 13 в зоне схождения зубьев синхронизирующих шестерен 14 (ведущая шестерня) и 15 (ведомая шестерня).
Синхронизирующие шестерни 14 и 15 установлены в герметичном корпусе 16, охватывающем контур и торцовые поверхности шестерен 14 и 15, и конструктивно являющемся задней крышкой картера 1 (фиг.1-3). В зоне расхождения зубьев шестерен 14 и 15 имеется входное отверстие 17, соединяющее эту зону с полостью картера 1 ниже уровня смазочно-охлаждающей жидкости, заполняющей частично полость картера 1.
Поршень 4 (фиг.1) содержит круговую полость 18, соединенную через канал 19 штока 20, канал 21 в пластине 22 со сквозным пазом 23 и каналы 24, 25 и 26 (фиг.1 и 2) - с полостью 9 и далее через отверстия 12 и 13 - с зоной схождения зубьев синхронизирующих шестерен (фиг.3).
Таким образом, зона схождения зубьев синхронизирующих шестерен 14 и 15 (выходное отверстие 13) соединена с полостью 18 в теле поршня 4 и с полостью 11 в теле цилиндра 3.
В сквозном пазу пластины 22 (фиг.1 и 2) на эксцентриках 27 и 28 соответственно ведущего 29 и ведомого 30 валов установлены ползуны 31 и 32. Синхронизирующие шестерни 14 и 15 установлены на валах 29 и 30 на шпоночном соединении.
Отверстия 33 и 34 служат для слива смазочно-охлаждающей жидкости соответственно из полости 11 цилиндра 3 и полости 18 поршня 4 назад в полость картера 1.
Вставка 35 с пазом 36 (фиг.1 и 2) служит для предотвращения вращения поршня 4 со штоком 20 и пластиной 22 вокруг оси цилиндра 3 и для размещения каналов 24, 25 и 26 подвода смазочно-охлаждающей жидкости к полости 18.
Противовесы 37 и 38 (фиг.2), установленные на валах 29 и 30, служат для уравновешивания сил инерции возвратно-поступательного движения механизма привода, состоящего из штока 20, пластины 22 с пазом 23 и двух эксцентриков 27 и 28, а также сил инерции движения поршня 4 и ползунов 31 и 32.
Компрессор работает следующим образом.
При вращении ведущего вала 29 (фиг.1) с ведущей шестерней 14 одновременно происходи противоположное синхронное вращение ведомой шестерни 15 и ведомого вала 30. Вместе с этими валами вращаются и эксцентрики 27 и 28, которые, скользя в пазу пластины 22, заставляют ее совершать возвратно-поступательное движение вдоль оси цилиндра 3. При этом закрепленный на пластине 22 шток 20 вместе с поршнем 4 также совершают возвратно-поступательное движение, изменяя объем камеры сжатия 7 от максимума до минимума (от нижней мертвой точки до верхней мертво точки). При ходе поршня 4 вниз объем камеры сжатия 7 увеличивается, давление в ней падает, всасывающий клапан 7 открывается, и происходит процесс всасывания. При ходе поршня 4 вверх объем камеры сжатия 7 уменьшается, давление в ней повышается, клапан 7 закрывается - происходит сжатие газа. Как только давление газа в камере 7 становится больше давления потребителя, нагнетательный клапан 6 открывается, и сжатый газ поступает потребителю, происходит процесс нагнетания, который заканчивается при подходе поршня 4 к верхней мертвой точке. Затем цикл повторяется.
Все силы, действующие со стороны привода на шток и поршень полностью уравновешены:
- силы трения ползунов 31 и 32 в пазу пластины 22 равны и направлены противоположно;
- сумма сил со стороны ползунов, действующих вдоль оси поршня, равны и противоположны силе давления газа на поршень 4;
- радиусы кривошипов 27 и 28 равны между собой, а оси ведущего 29 и ведомого 30 валов расположены симметрично относительно оси цилиндра, поэтому моменты сил от эксцентриков 27 и 28 равны между собой, и перекашивающих поршень усилии нет;
- массы и радиусы кривошипов 27 и 28 равны, массы и радиусы закрепления ползунов 31 и 32 равны, и те и другие вращаются синхронно в противоположном направлении, в связи с чем равны и противоположно направлены действующие на них центробежные силы;
- силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс уравновешены противовесами 37 и 38, массы которых и центробежные силы равны и противоположно направлены.
В связи с изложенным, компрессор является полностью уравновешенным, а на поршень 4 не действуют боковые или перекашивающие усилия.
При вращении синхронизирующих шестерен 14 и 15 в герметичном корпусе 16 (фиг.2 и 3), направление которого показано стрелками, жидкость из картера 1 захватывается зубьями шестерен через отверстие 17 в зоне расхождения зубьев и переносится в межзубовых впадинах в зону схождения зубьев - в отверстие 13, где зубья шестерен смыкаются, а жидкость направляется через канал 12 в полость 9 подобно тому, как это происходит в шестеренных насосах. Далее жидкость из полости 9 (фиг.1) через канал 10 попадает в кольцевую полость 11 цилиндра 3, огибает ее с двух стророн и истекает через отверстие 33 в подпоршневую полость и далее в картер 1, попутно попадая на пластину 22 и далее в ее паз, смазывая ползуны 31 и 32 и зону трения в них эксцентриков 27 и 28. Одновременно жидкость через канал 26, 25 и 24 попадает в сквозной паз 23 (см. также фиг.2) и далее по каналам 21 и 19 попадает в круговую полость 18 поршня 4, откуда через отверстия 34 стекает в картер 1, попутно смазывая ползуны 31 и 32 и эксцентрики 27 и 28.
Постоянно истекающая жидкость из сквозного паза 23 в зазор между пластиной 22 и стенками паза 36 вставки 35 препятствует активному трению между пластиной 22 и вставкой 35.
Таким образом, проходя через полости 11 и 18, смазочно-охлаждающая жидкость отнимает теплоту от стенок поршня 4 и цилиндра 3, которая выделяется в процессе сжатия газа в камере сжатия 7, и переносит эту теплоту в картер 1, где она передается от жидкости к стенкам картера 1 и далее отводится в окружающую среду. Этим самым производится интенсивное охлаждение стенок цилиндра 3 и поршня 4 практически до температуры смазочно-охлаждающей жидкости, которая близка к температуре окружающей среды. С целью интенсификации передачи теплоты в окружающую среду стенки картера 1 могут быть также снабжены внутренними и наружными ребрами, увеличивающими поверхность теплообмена.
Применения предложенной конструкции компрессора приводит к интенсивному отводу теплоты от тела цилиндра 3 и поршня 4, что позволяет сделать их температуру практически одинаковой и гораздо ниже, чем у известных конструкций, что повышает экономичность цикла компрессора, приблизив процесс сжатия к изотермическому, а, кроме того, дает возможность использовать минимально технологически возможный зазор 8 за счет незначительной разницы в температурной деформации цилиндра 3 и поршня 4, что также существенно снижает потери работы с утечками газа через зазор 8 и дополнительно повышает экономичность компрессора без применения дорогостоящих материалов и сплавов с малым коэффициентом линейного расширения.