Безмасляный компрессор с устройством охлаждения
OIL-FREE COMPRESSOR WITH A COOLING APPARATUS

Настоящее изобретение относится к безмасляным компрессорам, в частности к безмасляным компрессорам природного газа, которые нагнетают газ высокого давления путем возвратно-поступательного движения с высокой скоростью.
Как правило, компрессор природного газа (CNG Compressor) предназначен для сжатия природного газа под высоким давлением для использования газа в качестве топлива транспортного средства. Следовательно, в таком устройстве природный газ (КПГ) состоит из углеводородных соединений. Природный газ, который с трудом сжимается, необходимо сжимать и хранить при высоком давлении, что требует высокой точности изготовления и применения прогрессивных технологий.
Кроме того, цилиндр, который сжимает газ под высоким давлением, снабжается смазочным маслом, минеральным маслом или синтетическим маслом для бесперебойной работы внутреннего поршня, что позволяет предотвратить износ (трение) между внутренней поверхностью цилиндра и компрессионным кольцом поршня. Также масло подается для сохранения воздухонепроницаемости блока уплотнителей. Однако, масло постепенно расходуется, так как смешивается с природным газом в процессе работы компрессора.
С увеличением количества транспортных средств, работающих на природном газе, быстро увеличивается и потребление природного газа, что приводит к относительно быстрому увеличению потребления смазочного масла. Одна из серьезных проблем состоит в том, что масло, используемое в компрессоре, распространяется и передается в резервуар для хранения газа или в двигатель транспортного средства, что повышает риск возникновения неисправности двигателя
Поэтому в последние годы спрос на безмасляные компрессоры вырос.
На сегодняшний день по уровню техники известен безмаслянный компрессор с охлаждающим средством [патент на изобретение KR 10-1512108, автор Jungyeol LEE, заявка № 10-2014-0148002 от 29.10.2014, дата регистрации 08.04.2015], который состоит из кривошипного узла для преобразования вращательного движения в линейное движение; узла цилиндра, установленного на расстоянии от узла кривошипа, и оборудованного цилиндром; вставки, предусмотренной между узлом кривошипа и узлом цилиндра; поршневого штока, установленного в узле кривошипа и узле цилиндра и проходящего через вставку; блока уплотнителей, предусмотренного с одной стороны узла цилиндра для предотвращения утечки газа внутри узла цилиндра; охлаждающего устройства, позволяющего маслу узла кривошипа проходить через блок уплотнителей и охлаждать его. С одной стороны узла цилиндра (в направлении узла кривошипа) установлен блок уплотнителей для предотвращения вытекания газа из узла цилиндра. Внутренняя полость блока уплотнителей не заполнена маслом.
Прототип также включает в себя устройство охлаждения, использующее масло, подаваемое из узла кривошипа, для снижения тепла, выделяемого в блоке уплотнителей. Устройство охлаждения состоит из следующих компонентов: подающей трубы для направления охлажденного масла, подаваемого из основной трубы в блок уплотнителей; отводящей трубы, которая направляет масло через чашу блока уплотнителей в узел кривошипа; внутренней трубы, установленной внутри блока уплотнителей, и направляющей масло; масляного насоса для принудительной подачи масла через подающую трубу и внутреннюю трубу.
Основная труба, установленная с одной стороны узла кривошипа, представляет собой трубу для направления масла, охлаждаемого масляным радиатором снаружи компрессора.
Подающая труба одним концом соединена с основной трубой, а другим концом с блоком уплотнителей. Следовательно, подающая труба направляет охлажденное масло, подаваемое из основной трубы, для прохождения через узел кривошипа и вставку в чашу блока уплотнителей.
Отводящая труба предусмотрена на одной стороне подающей трубы и служит для направления масла через чашу блока уплотнителей обратно в узел кривошипа.
Внутренняя труба расположена между подающей трубой и отводящей трубой и установлена внутри чаши блока уплотнителей. Внутренняя труба служит для перемещения масла из чаши блока уплотнителей.
Подающий насос установлен с одной стороны от подающей трубы и служит для принудительного прохождения масла, подаваемого через подающую и внутреннюю трубы. Таким образом, подающий насос предусмотрен между подающей трубой и чашей блока уплотнителей и служит для выталкивания масла, так чтобы охлаждающее масло подавалось в чашу блока уплотнителей. Подающий насос выполнен с возможностью установки в разных местах, не только с одного конца блока уплотнителей.
Поршневой шток может быть выполнен цилиндрической формы. Он проходит через вставку и устанавливается между узлами кривошипа и узлом цилиндра.
Блок уплотнителей изготовлен из нержавеющей стали, что способствует теплообмену. Масло, текущее через трубку, охлаждает корпус.
Внутренняя трубка имеет горизонтальный канал, расположенный вдоль продольного направления блока уплотнителей, и дугообразного канала, образованного в направлении вдоль окружности блока уплотнителей.
Горизонтальный канал выполнен слева и справа. Он соединен с дугообразным каналом.
Дугообразные каналы сформированы перпендикулярно горизонтальным каналам и имеют форму дуги окружности с заданной длиной в направлении по окружности блока уплотнителей.
Таким образом, три дуги сформированы в положениях, разнесенных друг от друга, и соответственно сообщаются с горизонтальными каналами, образуя единый канал.
На внутренней периферийной поверхности блока уплотнителей предусмотрены уплотнительные элементы: основные уплотнения для герметичности, манжета для первичной блокировки утечки газа из блока цилиндров и вентиляционное уплотнение для выпуска газа, накопленного во внутренней части.
Основное уплотнение выполнено из пластика, обладающего термостойкостью и свойством самосмазывания.
Основное уплотнение предпочтительно изготовлено из неметаллического материала, такого как высокопрочный полимерный материал (ПЭЭК или ПТФЭ), имеющего свойство самосмазывания.
Кроме того, у материала основного уплотнения могут быть улучшены рабочие характеристики путем добавления в него стекловолокна или углеродного волокна.
С другой стороны, основное уплотнение не нуждается в масле для смазки. Следовательно, масло не заливается в блок уплотнителей, окружающего основное уплотнение. Следовательно, в качестве материала основного уплотнения используется материал, имеющий свойство самосмазывания.
Таким образом, основное уплотнение выполнено с возможностью выполнять функцию смазки одновременно с использованием вышеописанных полимерных материалов.
Манжеты установлены на стороне блока цилиндров от блока уплотнителей. Они служат для предотвращения утечки газа из блока цилиндров. Вентиляционное уплотнение предусмотрено на другой стороне блока уплотнителей, то есть на стороне узла кривошипа, и выполняет функцию выпуска выделяющегося газа.
Вставка, выполненная из пластика, служит для блокировки попадания масла из узла кривошипа в узел цилиндра.
Недостатком изобретения является недостаточная герметизация вставки, приводящая к утечке масла в узел кривошипа, а также ее низкая надежность и охлаждение. Использованные в прототипе маслосъемные кольца устанавливаются комплектно с вентиляционным уплотнением при использовании в компрессорах масляного типа, но их недостаточная эффективность стала неприемлемой для использования в безмасляном компрессоре, вместе с тем обнаружено, что вентиляционное уплотнение не вносит значительного вклада в функцию очистки масла.
Техническим результатом данного изобретения является повышение производительности безмасляного компрессора с охлаждающим средством за счет предотвращения утечки масла внутри заявленного изобретения.
Технический результат достигается тем, что в безмасляном компрессоре с устройством охлаждения, состоящим из
узла кривошипа;
узла цилиндра;
блока уплотнителей, включающего в свой состав основные уплотнители, расположенные на внутренней круговой поверхности блока уплотнителей, манжеты, установленные на стороне узла цилиндра;
поршневого штока, установленного между узлом кривошипа и узлом цилиндра;
основной трубы, установленной на одной стороне узла кривошипа;
охлаждающего устройства, включающего в свой состав подающую трубу, одним концом соединенную с основной трубой, а другим концом соединенную с блоком уплотнителей, отводящую трубу, расположенную на одной стороне подающей трубы, внутреннюю трубу, установленную между подающей трубой и отводящей трубой, установленную внутри блока уплотнителей и имеющую горизонтальный канал, образованный вдоль продольного направления блока уплотнителей, и дуговой канал, сформированный перпендикулярно горизонтальному каналу и в направлении по окружности блока уплотнителей, масляный насос, подсоединенный с одной стороны подающей трубы;
маслосъемного узла, установленного между узлом кривошипа и узлом цилиндра,
согласно изобретению, маслосъемный узел содержит корпус, на котором установлены собранные из сегментов в форме дуги кольца первичной и вторичной очистки, выполненные из антифрикционного сплава на основе олова с добавлением сурьмы и меди, содержащие выступающие части, пружину, канавки, сформированные на внутренней и внешней сторонах сегментов, радиально сквозные отверстия, а также упаковочную чашу и крышку упаковочной чаши, при этом на внутренней поверхности сегментов образована канавка, выступающая наружу, а на внешней поверхности сегментов сформирована канавка, утопленная внутрь для удержания пружины, радиально сквозные отверстия выполнены на сегментах и на выступающих частях колец для сообщения канавок, причем кольца выполнены с возможностью скольжения по штоку поршня для блокировки масла на наружной поверхности штока при его перемещении.
Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображено кольцо первичной очистки маслосъемного узла, на фиг. 2 – кольцо вторичной очистки маслосъемного узла, на фиг. 3 – корпус маслосъемного узла, на фиг. 4 – упаковочная чаша маслосъемного узла, на фиг. 5 – крышка упаковочной чаши маслосъемного узла, на фиг. 6 – цилиндр в разрезе.
Кольца и первичной (фиг. 1) и вторичной (фиг. 2) очистки состоят из нескольких сегментов 1, имеющих форму дуги. Сила упругости приложена в одном направлении к нескольким сегментам 1. Кольца оборудованы упругим элементом (пружиной) 2, заставляющим сегменты находиться в тесном контакте с внешней поверхностью штока поршня.
Кроме того, внутренняя канавка 3, выступающая наружу, образована на внутренней поверхности сегментов 1, канавка 4 сформирована на наружной поверхности сегмента 1, и должна быть утоплена внутрь, чтобы удержать упругий элемент (пружину) 2. Канавки 4 сегментов 1 выполнены таким образом, чтобы упругий элемент (пружина) 2 не выходил за наружную поверхность колец и надежно фиксировался в канавках.
На сегментах 1 и выступающих частях 6 колец выполнены радиально сквозные отверстия 5, поэтому внутренняя канавка 3 сообщается с канавкой 4.
Внутренняя канавка 3, радиально сквозные отверстия 5 являются воздушными каналами, следовательно, внутренняя канавка 3 и отверстия 5 создают эффект охлаждения, позволяя теплу рассеиваться по кольцам. Также они служат для предотвращения искрообразования, вызванного трением между кольцами первичной и вторичной очистки и штоком поршня.
Антифрикционный сплав на основе олова, с добавлением сурьмы и меди, в основном используемый для подшипников скольжения, обладает хорошим сцеплением с валом, не горит, имеет хорошую износостойкость и усталостную прочность, что позволяет использовать его в течение длительного времени.
Таким образом, маслосъемный узел представляет собой кольцевую муфту, которая сжимается в осевом направлении и плотно контактирует с валом. Это устройство, которое предотвращает утечку масла внутри цилиндра за счет трения поверхности поршневого штока, таким образом, что смазочное масло на стороне кривошипа компрессора, всегда заполненного примерно наполовину смазочным материалом, не течет по поверхности из-за возвратно-поступательного движения поршневого штока (см. фиг. 6, где 7 - поршневой шток; 8 - маслосъемный узел; 9 - поршень).
Увеличение эффективности работы маслосъемного кольца достигается за счет:
- ввода сквозных отверстий в выступающих частях, а также изменения формы вентиляционных отверстий кольца вторичной очистки (полукруглые пазы заменены на радиальные и торцевые отверстия) для улучшения охлаждения колец;
- увеличения выступающих частей кольца первичной очистки и увеличенного свободного пространства между ними, что позволяет отводить больший объем масла в процессе работы безмасляного компрессора;
- увеличения площади соприкосновения кольца вторичной очистки со штоком поршня;
- использования в качестве материала маслосъемного узла антифрикционного сплава на основе олова, с добавлением сурьмы и меди, позволяющего повысить прочность и надежность компрессора.
Ниже приведена работа безмасляного компрессора, оборудованного охлаждающим устройством в соответствии с настоящим изобретением, имеющим описанную выше конструкцию.
Маслосъемный узел установлен между узлом кривошипа и узлом цилиндра. Узел кривошипа и узел цилиндра находятся друг от друга на расстоянии.
Поскольку кольца первичной и вторичной очистки малосъемного узла закреплены на корпусах и скользят по штоку поршня, это позволяет блокировать масло на наружной поверхности штока поршня при его перемещении.
Таким образом, если масло поступает из узла кривошипа в узел цилиндра через шток поршня, маслосъемный узел блокирует его.
Иными словами, если масло течет вдоль поверхности поршневого штока при горизонтальном положении поршневого штока, оно накапливается на наружной поверхности маслосъемного узла. Масло, накопленное на маслосъемном узле, сбрасывается нагрузкой и накапливается в буферных пространствах.
Блок уплотнителей охлаждается охлаждающим устройством.
Таким образом, охлажденное масло, вводимое через узел кривошипа, охлаждает блок уплотнителей, а затем снова возвращается в узел кривошипа.