ПОРШНЕВОЙ НАСОС-КОМПРЕССОР
PISTON PUMP-COMPRESSOR

Изобретение относится к области насосо- и компрессоростроения и может быть использовано при создании поршневых машин объемного действия преимущественно малой и средней производительности, предназначенных для сжатия и подачи потребителю одновременно или попеременно жидкостей и газов.
Известен поршневой насос-компрессор, содержащий картер, цилиндр и поршень с образованием компрессорной и насосной полости, которые соединены с источником и потребителем соответственно газа и жидкости с помощью обратных самодействующих газовых и жидкостных клапанов (см. патент РФ на ПМ №118371, МПК F04B 19/06 от 20.07.2012).
Известен также поршневой насос-компрессор, содержащий цилиндр и размещенный в нем с зазором тронковый поршень с образованием компрессорной и насосной полости, которые соединены с источником и потребителем соответственно газа и жидкости с помощью обратных самодействующих газовых и жидкостных клапанов, а также картер с рабочей жидкостью, соединенный с рубашкой охлаждения цилиндра (см. патент РФ на ПМ №125635, МПК F04B 19/06 от 10.03.2013).
К недостатку первых относятся большие осевые габариты и большая материалоемкость, а также склонность к поперечной вибрации и является причиной возникновения кавитационных процессов, что приводит к снижению ресурса работы. Недостатком конструкций второго типа является невозможность работы с жидкостями под высоким давлением, т.к. это давление находится в картере машины, что чрезвычайно затрудняет уплотнение приводного коленчатого вала, а также плоских стыков конструкции (например - стыка между цилиндром и картером). Кроме того, при высоком давлении жидкости (выше 5 МПа) к материалу картера (а это обычно - литье) предъявляются большие требования по прочности, что усложняет технологию отливки, либо его стенки приходится делать большой толщины, что ухудшает такой показатель, как материалоемкость конструкции. Следует также отметить сравнительно большие утечки газа через зазор между поршнем и цилиндром в процессе сжатия-нагнетания в компрессорной полости, т.к. в это время в насосной полости, отделенной от компрессорной полости зазором, происходит процесс всасывания, т.е. давление жидкости низкое, и она не может препятствовать утечкам газа. В то же время в процессе сжатия-нагнетания жидкости, когда в компрессорной полости происходит всасывание, жидкость может проникать через зазор между поршнем и цилиндром в больших количествах и загрязнять сжимаемый газ, и даже приводить к гидроудару. Все это вместе взятое не дает возможности сжимать жидкость под большим давлением (5 МПа и выше), снижает КПД компрессорной полости и ухудшает массогабаритные показатели машины.
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей в сторону увеличения давления рабочей жидкости, снижение массы конструкции и повышение КПД компрессорной полости.
Указанная цель достигается тем, что в известной конструкции поршневого насос-компрессора рубашка охлаждения выполнена в виде кольцевого цилиндра, открытого в сторону картера, а тронковый поршень снабжен дополнительным кольцевым поршнем с возможностью его перемещения с зазором в упомянутом кольцевом цилиндре с образованием в нем насосной полости, причем верхняя часть этой полости соединена через обратные клапаны с картером и с потребителем жидкости. В нижней части тронкового поршня может быть установлен тарированный дроссель или тарированный дроссель и регулируемый предохранительный переливной клапан, которые соединяют полость, образованную наружной поверхностью тронкового поршня и внутренней поверхностью кольцевого поршня, с картером.
Сущность изобретения поясняется чертежом.
На чертеже схематично изображено продольное сечение поршневого насос-компрессора, который содержит цилиндр 1 и размещенный в нем с зазором 2 тронковый поршень 3 с образованием компрессорной полости 4, которая соединена с источником и потребителем газа с помощью обратных самодействующих газовых клапанов: клапан 5 - всасывающий, клапан 6 - нагнетательный. Цилиндр 1 установлен на картере 7, частично заполненном рабочей жидкостью, который через фильтр 8, линию всасывания 9 и обратный клапан 10 соединен с рубашкой охлаждения 11 цилиндра 1 и далее - через обратный клапан 12 - с потребителем жидкости, а через теплообменник 13 картер 7 соединен с источником рабочей жидкости. Рубашка охлаждения 11 выполнена в виде кольцевого цилиндра 14, открытого в сторону картера 7, а тронковый поршень 3 снабжен дополнительным кольцевым поршнем 15 с возможностью его перемещения с зазорами 16 и 17 в кольцевом цилиндре 14 с образованием в нем насосной полости 18, верхняя часть которой, таким образом, соединена с картером 6 через клапан 10, линию всасывания 9 и фильтр 8, а с потребителем жидкости через клапан 12. В нижней части тронкового поршня 3 между его цилиндрической поверхностью и внутренней поверхностью кольцевого поршня 15 установлен тарированный дроссель 19 или регулируемый предохранительный переливной клапан 20, которые соединяют полость 21, образованную наружной поверхностью тронкового поршня и внутренней поверхностью кольцевого поршня 15, с картером 7. Поршень 3 приводится в движение коленчатым валом 22 через шатун 23 и поршневой палец 24.
В общем случае поршневой насос-компрессор работает следующим образом.
При вращении коленчатого вала 22 поршень 3 вместе с кольцевым поршнем 15 совершают возвратно-поступательное движение, при котором изменяются объемы камер 4 и 18, в результате чего газ всасывается через клапан 5 в полость 4, сжимается в ней и подается потребителю через клапан 6, а жидкость через фильтр 8 и линию всасывания 9 всасывается через клапан 10 в полость 18, сжимается в ней и подается потребителю. В то же время жидкость от источника охлаждается в теплообменнике 13 и попадает в картер 7 для смазки механизма движения (коленчатого вала и его подшипников, шатунного и коренного подшипника шатуна, и затем снова попадает полость 18, протекая по которой во время движения поршня 15 она активно отбирает теплоту от стенок цилиндра 1, охлаждая таким образом сжимаемый газ и повышая КПД компрессорного цикла.
При этом возможно несколько вариантов стационарной работы поршневого насос-компрессора 1.
Давление нагнетания газа больше давления нагнетания жидкости. Возможен при питании газом пневмоинструмента (давление 0,6-0,8 МПа) и смазки механизмов какого-либо оборудования методом «разбрызгивания» (низкое давление, порядка 0,2-0,3 МПа).
В этом случае нет необходимости устанавливать в поршне 3 дроссель 19 или клапан 20. В начале процесса сжатия (поршень 3 из нижней мертвой точки начинает движение вверх) рост давления жидкости вследствие ее малой сжимаемости практически сразу вырастает до давления нагнетания, и жидкость по зазорам 16 и 17 начинает движение вниз в сторону картера 7. Газ в связи с его высокой сжимаемостью в это время имеет еще низкое давление в полости 4, в связи с чем вначале хода поршня вверх жидкость успевает занять практически весь зазор 16 и начинает скапливаться на дне полости 21. Сжимаемый газ течет по зазору 2, попадает в полость 21, но поскольку сопротивление зазора 2 достаточно велико (практически радиальный зазор составляет около 20-50 мкм), его давление падает, и к концу процесса сжатия, в связи с тем, что газ не может выйти из полости 21, давление в этой полости поднимается до некоторой средней величины, меньшей, чем давление нагнетания полости 4. В процессе нагнетания газа, когда газ продолжает поступать в полость 21, слой натекшей туда жидкости начинает препятствовать этому расходу, а при приближении к верхней мертвой точке образовавшийся на дне полости 21 слой жидкости начинает сжиматься, превратившись в гидрозатвор для газа, и начинает вытеснять его через зазор 2 назад в полость 4. А часть жидкости из полости 21 движется по зазору 16 назад в полость 18.
При оптимально подобранных зазоре 16 и объеме полости 21 (зазор 2 в любом случае должен быть как можно меньше) в конце процесса нагнетания газа жидкость из полости 21 поднимается вверх по зазору 2 на 60-70% от его длины, не попадая в полость 4.
В процессе всасывания газа и жидкости в полостях 4 и 18, жидкость, находящаяся в зазоре 2, движется в сторону полости 21, оставаясь в виде пленки на поверхности поршня 3 и цилиндра 1, т.к. в полости 21 возникает большое разрежение, и остается там до следующего хода сжатия нагнетания. Туда же движется и жидкость из зазора 16, т.к. разрежение в полости 21 гораздо больше разрежения в полости 18 в процессе всасывания. Таким образом, в течение полного цикла работы насос-компрессора на дне полости 21 всегда есть небольшое количество жидкости.
Давления нагнетания газа и жидкости примерно равны между собой (газ используется для пневмопривода манипуляторов и зажимов, жидкость - для смазки под давлением, давление около 1,-1,2 МПа). В этом случае желательно установить в поршне 2 тарированный дроссель 19 с калиброванным отверстием.
Процесс сжатия газа и жидкости будет происходить аналогично вышеописанному с той разницей, что в начале процесса, когда давление жидкости в полости 18 практически сразу становится равным давлению нагнетания, ее утечки (более высокие, чем в случае, описанном в п. 1) через зазор 16, попадая в полость 21, частично стекают в картер 7 через дроссель 19, и постепенное увеличение давления в полости 21 за счет проникновения в нее утечек газа через зазор 2 будут способствовать росту расхода жидкости через дроссель 19, хотя постоянное нахождение жидкости на дне полости 21 будет препятствовать утечкам газа из этой полости в картер 7. К началу процесса нагнетания газа на дне полости 21 оказывается достаточно жидкости, чтобы она занимала практически всю эту полость, и при дальнейшем ходе поршня вверх жидкость из полости 21 истекает одновременно в зазор 16, зазор 2 и через дроссель 19 в картер 7. Гидравлическое сопротивление дросселя при имеющихся зазорах 2, 16 таково, что жидкость не выходит за пределы зазора 2 в сторону полости 4, занимая, как и в вышеописанном случае, только значительную часть длины этого зазора.
При ходе поршня вниз (процесс всасывания газа и жидкости в полостях 4 и 18) разрежение в полости 21 будет меньше, чем в предыдущем случае в связи с поступлением (барботированием через слой жидкости) газа из картера, в связи с чем жидкость из зазора 2 практически не стекает в полость 21, оставаясь в зазоре 2 и на стенках поршня 3 и цилиндра 1. Поэтому в последующем ходе сжатия эта жидкость некоторое время будет препятствовать утечкам газа из полости 4 в полость 21 и способствовать образованию на дне полости 21 слоя жидкости, препятствующего утечкам газа.
Таким образом, установка дросселя 19 при равных давлениях жидкости и газа позволяет, также как и в первом случае, предотвратить попадание жидкости в сжимаемый газ, обеспечивая его чистоту.
Отметим, что в одной ступени, даже при хорошем, имеющемся в данном случае интенсивным охлаждением цилиндропоршневой группы, сжимать газ от атмосферного давления до давления выше 1,0-1,2 МПа нерационально. В то же время многие гидравлические приводы, которые могут питать насос-компрессор, работают при давлении 3,0 МПа и более, и вполне вероятно использование данной конструкции при давлениях жидкости гораздо большем, чем давление газа. Причем для каждой пневмогидравлической системы разница в давлении газа и жидкости может быть разной. Кроме того, давление в гидравлической сети может постоянно меняться, т.к. в ней почти никогда не устанавливают накопителей жидкости, которые практически бесполезны из-за несжимаемости жидкости, а воздушные колпаки могут только способствовать более равномерной подаче жидкости насосами периодического действия.
В этом случае вместе с дросселем 19 необходимо устанавливать предохранительный клапан 20, который будет дополнять функции и дросселя 19, но уже при разном давлении жидкости. То есть его можно настроить таким образом, что и при максимальном давлении нагнетания жидкости она не будет попадать в сжимаемый газ, т.к. клапан 20 будет сбрасывать в картер 7 излишки давления жидкости в полости 21.
Таким образом, в предложенной конструкции насос-компрессора при интенсивном охлаждении сжимаемого газа за счет движения охлаждающей жидкости по рубашке цилиндра обеспечивается практически полное отсутствие утечек сжимаемого газа, что повышает КПД компрессорной полости и возможность сжатия жидкости до высоких давлений при отсутствии явления загрязнения жидкостью сжимаемого газа.