Малошумная газовая компрессорная установка

Настоящая полезная модель относится к вспомогательному судовому компрессорному оборудованию, обеспечивающему сжатие и утилизацию газовых смесей, выделяющихся при работе химического и энергетического оборудования, когда требуются минимальные уровни шума и вибрации.
В частности, настоящая полезная модель может быть использована для бесшумного сжатия, с целью утилизации водорода, оксида и диоксида углерода, либо кислорода, паров воды и их смесей в различных соотношениях, выделяющихся при работе энергетических установок, установленных на судах и кораблях ВМФ.
Требования, предъявляемые к вспомогательному судовому компрессорному оборудованию, для утилизации паров и смесей газов на подводных лодках:
1) минимальный шум и вибрация;
2) минимальные габаритные размеры;
3) требование к перекачке либо сжатию газовой смеси без загрязнения смазочными маслами, для обеспечения чистоты газовой смеси с целью хранения и дальнейшего использования;
4) герметичность, так как выделение в окружающую среду взрывопожароопасных, токсичных газов (СО) во внутреннюю атмосферу помещений недопустимо;
5) необходимость обеспечения значительного перепада давления, для чего компрессор должен иметь несколько ступеней сжатия.
Известен многоступенчатый металлогидридный водородный компрессор, который включает в себя множество гидридных контейнеров, имеющих водородные впускные/выпускные трубопроводы и теплообменные средства, впуск газообразного водорода, вводимого при низком впускном давлении, и выпуск газообразного водорода, выходящего при высоком давлении, а также нагревательные и охлаждающие средства, обеспечивающие периодическое нагревание/охлаждение теплообменных средств, с которыми связаны соответствующие гидридные контейнеры, где осуществляется десорбция водорода высокого давления/абсорбция водорода низкого давления. Водородные впускные/выпускные трубопроводы контейнеров присоединяются через конфигурацию проточных (запорных) клапанов, и периодическое нагревание/охлаждение теплообменников управляется посредством времени (патент РФ №2672202, МПК F04B 37/12, публикация 2018 г.).
Недостатком известного многоступенчатого металлогидридного водородного компрессора является то, что его невозможно использовать для сжатия смеси газов, при этом компрессор имеет низкое быстродействие, часть водорода может оставаться внутри металлогидрида и создавать паразитный объем водорода. Также недостатком является большой объем и количество емкостей металлогидридных контейнеров, коллекторов, арматуры и коммуникаций, которые вызывают шум при работе.
Известен компрессор поршневой для взрывоопасных газов, состоящий из корпуса, цилиндра с поршнем, всасывающего и нагнетательного трубопроводов с клапанами, системы жидкостного охлаждения, при этом компрессор снабжен расположенным в системе жидкостного охлаждения газораспределительным коллектором, выполненным в виде изогнутого по дуге трубопровода с равномерно расположенными отверстиями (патент РФ №2487269, МПК F04B 37/18, публикация 2013 г.).
Недостатком известного поршневого компрессора является то, что при сжатии газ проходит через охлаждающую жидкость, что увеличивает шум компрессора и однозначно приводит к загрязнению сжимаемого газа жидкостью, при этом некоторые газы при высоких давлениях могут вступать в химические реакции и образовывать соединения, которые могут загрязнять и охлаждающую воду, что может негативно сказываться на надежности процесса сжатия газа, кроме того, одной ступени сжатия недостаточно для эффективного сжатия, а многоступенчатая поршневая машина должна иметь все ступени, расположенные вертикально, что приведет к увеличению габаритных размеров.
Известен поршневой компрессор, содержащий по меньшей мере два смещенных под углом поршня и корпус кривошипа, в котором поршни соединены через соответствующие шатуны, и кривошипный механизм с общим приводным валом, в котором кривошипно-шатунный механизм включает в себя, для каждого поршня, отдельный наклонный диск, который поддерживает роликовые подшипники одним концом соответствующего шатуна и кривошипа, диски имеют совпадающие оси, эксцентричные по отношению к валу привода, указанные кривошипные диски сжимаются вместе в пакет по крайней мере двумя натяжными болтами, которые проходят через кривошипные диски вокруг их указанных осей (патент США №5195420, МПК F16C 3/12, публикация 1993 г.).
Недостатком известного поршневого компрессора является ослабленная конструкция коленчатого вала, который состоит из нескольких втулок, которые стянуты болтами, следовательно, конструкция компрессора не обеспечивает сжатие газов для высокого давления, также недостатком является воздушное охлаждение, которое требует большого количества воздуха на охлаждение и не позволяет бесшумно и эффективно охлаждать компрессор при высоких давлениях, постоянной работе и высокой температуре в месте размещения.
Известен поршневой компрессор с возвратно-поступательным движением, содержащий: кожух кривошипа; коленчатый вал; по меньшей мере, один шток поршня, расположенный на коленчатом валу; крейцкопф, выполненный в виде направляющего поршня, при этом шток поршня шарнирно соединен с крейцкопфом; хотя бы один цилиндр; поршень, подвижно расположенный в цилиндре; шатун, в котором крейцкопф и поршень шарнирно соединены друг с другом посредством шатуна, при этом шатун соединен с крейцкопфом с помощью первого фиксированного ограничителя, а шатун соединен с поршнем с помощью второго фиксированного ограничителя, шатун выполнен таким образом, что шатун допускает ошибки совмещения между крейцкопфом и поршнем из-за деформации и прогиба шатуна (патент США №10590922, МПК F02B 27/04, публикация 2020 г.).
Недостатком известного компрессора является то, что компрессор выполнен с воздушным охлаждением, что не позволяет бесшумно и эффективно сжимать газ и охлаждать компрессор при высоких давлениях и при длительной работе и высокой температуре окружающей среды, при этом патент направлен на упрощение изготовления, сборки и технического обслуживания, но не описывает, какие давления сжатия и среды могут им перекачиваться.
3
Известен агрегат компрессорный ГКА-0,25/100, который предназначен для сжатия водорода, двуокиси углерода и их смесей. Отличительной особенностью ГКА-0,25/100 (ТУ 391.010-86) является оппозитная шестицилиндровая схема с уравновешенными силами инерции первого и второго порядка. Давление на выходе 9,8 МПа, производительность 15 нм/ч. Конструктивные особенности: горизонтальный, четырехступенчатый, оппозитный, шестицилиндровый, маслосмазываемый, со встроенным электродвигателем, двойной каскад амортизации (сайт АО «ЭХМЗ» https://intelhim.ru/articles/28-agregat-kompressornyi-gka-0-25100-tu.html).
Недостатком известного агрегата является высокий уровень шума, вызванный отсутствием кожуха. Оппозитная шестицилиндровая схема с уравновешенными силами инерции первого порядка имеет большие габаритные размеры и неуравновешенный момент инерции второго порядка. Силы второго порядка составляют около 25% от сил первого порядка. Даже наличие двухкаскадной амортизации с амортизаторами, не имеющими требуемые характеристики, не обеспечит снижение вибрации. Для уменьшения вибрации от неравномерности крутящего момента необходимо, чтобы частота собственных колебаний амортизаторов не превышала 10 Гц. Кроме того, недостатком является маслосмазываемая конструкция, имеющая возможность загрязнения перекачиваемой среды парами компрессорного масла, которые негативно сказываются на хранении и дальнейшем использовании сжимаемых газов.
В качестве прототипа принята малошумная газовая компрессорная установка, включающая размещенные внутри звукоизолирующего кожуха многоступенчатый безмасляный поршневой компрессор с электроприводом, закрепленные на единой раме, систему охлаждения и клапаны, при этом компрессор содержит патрубки входа и выхода перекачиваемой среды, герметичный картер, а электропривод подключен к компрессору через муфту (патент Китая №106194651, МПК F04B 27/04, F04B 35/04, F04B 39/00, публикация 2016 г.).
Задачей заявляемой полезной модели является разработка конструкции компрессорной установки, обеспечивающей высокие показатели по виброшумовым характеристикам для возможности ее эффективного применения при утилизации паров и смесей газов в составе вспомогательного судового компрессорного оборудования, например, на подводных лодках.
Техническим результатом полезной модели является снижение уровня вибрации и шума компрессорной установки.
Сущность настоящей полезной модели состоит в нижеследующем.
Малошумная газовая компрессорная установка включает размещенные внутри звукоизолирующего кожуха многоступенчатый безмасляный поршневой компрессор с электроприводом, закрепленные на единой раме, и систему охлаждения, при этом компрессор содержит патрубки входа и выхода перекачиваемой среды, герметичный картер, а электропривод подключен к компрессору через муфту. На входе компрессора установлен глушитель, звукоизолирующий кожух закреплен на двухкаскадной системе виброизоляции, содержащей промежуточную раму и амортизаторы с собственной частотой ниже 10 Гц, при этом электропривод подключен к компрессору через магнитную муфту, а для охлаждения элементов активного тепловыделения компрессора использована жидкостная система охлаждения, причем патрубки входа и выхода газа, а также входа и выхода охлаждающей жидкости выполнены в виде гибких шлангов.
Для уплотнения поршней компрессора использованы самосмазывающиеся полимерные материалы.
Общий вид предложенной малошумной газовой компрессорной установки высокого давления показан на фиг.1; на фиг.2 показан поперечный разрез компрессора; на фиг.3 показан продольный разрез компрессора.
Малошумная газовая компрессорная установка (фиг.1) включает поршневой многоступенчатый компрессор 1, электродвигатель 2, которые закреплены на единой раме 3. Компрессор с электродвигателем размещены в звукоизолирующем кожухе 4. Компрессор содержит патрубок входа газа 5 и патрубок выхода газа 6, а жидкостная система охлаждения содержит патрубок входа охлаждающей воды 7 и патрубок выхода охлаждающей воды 8.
С целью снижения передаваемого шума и вибрации патрубки входа и выхода газа, а также входа и выхода охлаждающей жидкости выполнены в виде гибких шлангов. На входе в компрессор предусмотрен глушитель 9.
Для крепления единой рамы 3 к фундаменту 13 используется двухкаскадная система амортизации, включающая амортизаторы 10 верхнего каскада, промежуточную раму 11 и амортизаторы 12 нижнего каскада, закрепленные на фундаменте 13. Амортизаторы 10 прикреплены к раме 3 и промежуточной раме 11. Амортизаторы 12 прикреплены к промежуточной раме 11 и фундаменту 13. Амортизаторы 10 и 12 имеют собственную частоту свободных колебаний при номинальной нагрузке: ниже 10 Гц, что обеспечивает эффективную виброизоляцию. В кожухе 4 выполнены виброизолированные отверстия для входа и выхода перекачиваемой среды и для входа и выхода охлаждаемой жидкости.
Для обеспечения безопасной работы ступеней сжатия компрессорная установка оснащена блоком предохранительных клапанов 14. Для охлаждения газа после каждой ступени предусмотрен блок охлаждения 15, обеспечивающий охлаждение газа после каждой ступени сжатия.
Компрессор (см. фиг.2) выполнен уравновешенным четырехрядным четырехступенчатым, с Х-образным расположением ступеней, повернутых на угол 90° - первая ступень 16, вторая ступень 17, третья ступень 18, четвертая ступень 19. Для охлаждения элементов активного тепловыделения - цилиндров, в которых сжимается газ, используется вода, проходящая по каналам для жидкостного охлаждения 20. На коленчатом валу 21 уставлены шатуны 22 с закрытыми подшипниками качения, наполненными композитной смазкой. Поршни конструктивно выполнены единой деталью с крейцкопфом, на котором установлены направляющие кольца 23 из самосмазывающегося материала, как и поршневые кольца, что позволяет снизить шум и отказаться от смазочного масла в компрессоре. При отсутствии масла также нет необходимости устанавливать масляный насос, который является источником шума и вибрации.
Компрессор 1 (см. фиг.3) соединен с электродвигателем 2 жестко при помощи фонаря 24, позволяющего обеспечить соосность валов электродвигателя 2 и компрессора 1. Передача крутящего момента осуществляется посредством магнитной муфты 25, которая гарантирует отсутствие утечек газа из корпуса компрессора.
Малошумная газовая компрессорная установка работает следующим образом.
Газ поступает в компрессор 1 (см. фиг.1-3), приводимый от электродвигателя 2 через патрубок 5, выполненный в виде гибкого шланга, глушитель 9 и затем последовательно сжимается в первой ступени 16, второй ступени 17, третьей ступени 18, четвертой ступени 19. При увеличении давления выше расчетного происходит сброс давления в блоке предохранительных клапанов 14.
Далее обеспечивается охлаждение газа после каждой ступени сжатия в блоке охлаждения 15, вода к которому подводится по гибким шлагам через патрубок 7, а выходит через патрубок 8. Наличие датчиков давления (условно не показаны) после каждой ступени позволяют осуществлять контроль работы ступеней сжатия компрессора. На выходе из компрессора установлен датчик температуры (не показан), позволяющий осуществлять контроль температуры на выходе из компрессора и производить остановку установки при превышении температуры газа.
Технический результат предлагаемой полезной модели состоит в обеспечении малошумной перекачки газовых смесей, выделяющихся при работе энергетических установок на кораблях ВМФ, за счет применения компактного многоступенчатого уравновешенного компрессора с водяным охлаждением, с герметичным катером и электроприводом с магнитной муфтой, с глушителем, эффективной двухкаскадной системой виброизоляции и звукоизолирующего кожуха.