ДВУХРЯДНЫЙ ПОРШНЕВОЙ ОППОЗИТНЫЙ КОМПРЕССОР

Полезная модель относится к области компрессоростроения, а именно к поршневым компрессорам, и может быть использована для сжатия природного, попутного и других взрывоопасных или инертных газов в технологических процессах по добыче, переработке, производству и использованию компримированного (КПГ) и сжиженного (СПГ) природного газа.
В частности настоящая полезная модель может применяться для сжатия природного газа в автомобильных газонаполнительных станциях (АГНКС) блочно-контейнерного исполнения.
3
Спецификой строительства крупных современных автомобильных газонаполнительных станций (АГНКС) является размещение компрессорного оборудования в блочно-контейнерных зданиях, как правило, без использования монолитных фундаментов. В то же время для обеспечения сжатия природного газа от 0,3 МПа до требуемого давления 25,0 МПа и производительности от 500 до 3000 нм/час применяются оппозитные поршневые компрессоры, которые обладают виброактивностью и требуют обустройства массивных фундаментов и виброизоляции.
Вибрацию компрессора вызывают неуравновешенные силы инерции и моменты сил инерции. Вибрация поршневого компрессора, электропривода, фундамента и рам, а также опорных конструкций происходит в горизонтальной плоскости на вынужденных частотах кратных основной частоте вращения приводного электродвигателя (Руководящий документ. Автомобильные газонаполнительные компрессорные станции. Нормы вибрации. Методика виброобследования. Виброзащита оборудования. РД 51-132-88).
Для обеспечения безопасной эксплуатации АГНКС необходимо проводить проверку уровня интенсивности вибраций в соответствии с РД 51-132-88. Например, для компрессорных установок он должен находиться в пределах не более 11,25 мм/с, а для оснований, фундаментов и опорных конструкций - не более 7 мм/с. (Правила технической эксплуатации автомобильных газонаполнительных компрессорных станций. ВРД 39-2.5-082-2003, утв. ОАО «Газпром» 15.05.2003).
К оппозитным компрессорам относятся поршневые компрессоры, оси цилиндров которых расположены в двух противоположных от коленчатого вала направлениях и лежат в горизонтальной плоскости (ГОСТ 28567-90).
Снижение вибрации в оппозитном компрессоре с взаимно противоположным движением поршней, и при этом с совмещенными осями рядов, физически возможно при полном уравновешивании сил и моментов сил инерции, действующих на компрессор.
На коленчатый вал компрессора действуют следующие силы и создаваемые ими моменты:
- сила инерции возвратно-поступательно движущихся частей каждого ряда равная
п
п
2
I=mrω(cosα+λcos2α), или
п
п1
п2
п
п
2
2
I=I+I=(mrωcosα)+(mrωλcos2α),
п1
где I - сила инерции первого порядка (действующая с периодом 2π),
п2
I - сила инерции первого порядка (действующая с периодом π),
п
m - масса возвратно-поступательно движущихся частей,
r - радиус кривошипа,
ω - угловая скорость вращения компрессора,
α - угол поворота вала отсчитываемый от «мертвой точки»,
λ=r/1 - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.
При выполнении компрессора с взаимно противоположным движением поршней, когда массы поступательно движущихся частей каждого ряда равны, сила инерции возвратно-поступательно движущихся частей двух рядов на фундамент не передается;
- сила инерции вращающихся частей каждого ряда равная:
в
в
2
I=mrω,
в
где m - неуравновешенная масса вращающихся частей.
в
При выполнении компрессора с взаимно противоположным движением поршней, когда неуравновешенные массы вращающихся частей двух рядов имеющих общую щеку вала, равны, сила инерции вращающихся частей каждого ряда на фундамент не передается, действует лишь момент от сил I двух рядов, который в свою очередь сводится к нулю благодаря тому, что при совмещении осей рядов плечо момента будет равно нулю (Видякин Ю.А., Доброклонский Е.Б., Кондратьева Т.Ф. Оппозитные компрессоры. 2-е, перераб. и доп. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1979 г, стр. 31-34).
Известен поршневой оппозитный компрессор типа JG-JGA компании Ariel для применения в газовой промышленности и в составе автомобильных газонаполнительных станций, включающий литой картер с размещенным в нем кривошипно-шатунным механизмом и установленные с двух сторон в горизонтальной плоскости цилиндры, в которых размещены поршни, жестко закрепленные на штоках (официальный сайт компании http://ru.arielcorp.соm/Продукция/JG-JGA/).
Недостатком известного компрессора является использование в его конструкции для уменьшения моментов инерции первого и второго порядка пар противовесов, расположенных за пределами щек коренного подшипника. Такая конструкция не позволяет полностью исключить инерционные моменты, поэтому требуется установка компрессора на бетонные фундаменты значительной массы и проведение постоянного технического обслуживания анкерных болтов для предотвращения вибраций трубопроводов и ускоренного разрушения частей компрессорной установки. Колебания фундамента и его неравномерное оседание влечет за собой дополнительный расход полезной энергии, затрачиваемой на привод компрессора. Кроме того, такая конструкция коленчатого вала ведет к увеличению габаритных размеров компрессора.
Известен компрессор поршневой оппозитный двухрядный, содержащий картер с размещенным в нем кривошипно-шатунным механизмом, который состоит из коленчатого вала, шатунов и крейцкопфов, цилиндры, установленные с двух сторон картера в горизонтальной плоскости, в передней части которых расположены газовые сальники с уплотнительными камерами, поршни, размещенные в цилиндрах и жестко связанные с крейцкопфами через штоки, маслосниматели, при этом маслосниматели размещены совместно с газовыми сальниками в передней части цилиндров и между ними выполнена кольцевая проточка с каналом отвода аварийных утечек газа (патент РФ №136861, МПК F04B 27/02, публикация 2014 г).
В известном устройстве вследствие расположения рядов компрессора на шейках коленчатого вала, смещенных относительно друг друга, возникают неуравновешенные моменты инерции первого и второго порядка. Моменты сил инерции, остающиеся неуравновешенными, действуют в горизонтальной плоскости и могут вызвать сдвиг картера относительно фундамента, что может привести к аварийным ситуациям, связанным с полным или частичным разрушением газовых и других коммуникаций. Для снижения неуравновешенных моментов инерции необходимо снижение частоты вращения коленчатого вала, что при создании компрессоров с большой производительностью ведет к увеличению массогабаритных характеристик компрессора.
Задачей предложенного технического решения является создание удобного в эксплуатации, компактного поршневого компрессора, конструкция которого обеспечивает возможность полного уравновешивания сил и моментов сил инерции.
Предложенное техническое решение расширяет арсенал технических средств, используемых для сжатия газов в блочно-модульных автомобильных газонаполнительных станциях (АГНКС).
Сущность предложенного технического решения заключается в следующем.
Двухрядный поршневой оппозитный компрессор включает картер с расположенным в нем коленчатым валом, цилиндры, соосно расположенные в горизонтальной плоскости с противоположных сторон от коленчатого вала, шатуны, поршни, штоки, два расположенных в направляющих крейцкопфа, соединенных посредством штоков с поршнями, установленными с возможностью возвратно-поступательного движения в цилиндрах, при этом поршни в противолежащих цилиндрах при вращении коленчатого вала имеют взаимно противоположное движение. Коленчатый вал выполнен с углом смещения колен 180° и содержит три шатунные шейки - центральную и две боковые соосно расположенные шейки, при этом на двух боковых шейках установлены два одинаковых шатуна первого ряда, соединенных с крейцкопфом первого ряда, а на центральной шейке установлен шатун второго ряда, соединенный с крейцкопфом второго ряда, при этом масса вращающихся и поступательно движущихся элементов первого ряда равна массе вращающихся и поступательно движущихся элементов второго ряда.
На представленном чертеже изображен двухрядный поршневой оппозитный компрессор.
Компрессор содержит картер 1, в котором установлен кривошипно-шатунный механизм, включающий коленчатый вал 2, два шатуна 3 первого ряда, и шатун 4 второго ряда, крейцкопф 5 первого ряда и крейцкопф 6 второго ряда. Шатуны 3 первого ряда выполнены одинаковыми и крепятся к боковым шатунным шейкам 7 и 8 коленчатого вала 2 и к крейцкопфу 5 первого ряда по бокам. Шатун 4 второго ряда крепится к центральной шатунной шейке 9 коленчатого вала 2 и к центру крейцкопфа 6 второго ряда. Крейцкопф 5 первого ряда расположен в направляющей крейцкопфа 10 первого ряда, крейцкопф 6 второго ряда расположен в направляющей крейцкопфа 11 второго ряда.
В цилиндре 12 первого ряда расположен поршень 13 первого ряда, который жестко закреплен в крейцкопфе 5 первого ряда посредством штока 14. В цилиндре 15 второго ряда расположен поршень 16 второго ряда, который жестко закреплен в крейцкопфе 6 второго ряда посредством штока 17. На поршне первого ряда 13 установлены уплотнительные кольца 18, на поршне 16 второго ряда установлены уплотнительные кольца 19. В цилиндре 12 первого ряда установлен ряд клапанов 20 всасывания и клапанов 21 нагнетания первой ступени, в цилиндре 15 второго ряда установлен ряд клапанов 22 всасывания и ряд клапанов 23 нагнетания второй ступени. В цилиндре 12 первого ряда установлен газовый сальник 24, в цилиндре 15 второго ряда установлен газовый сальник 25.
Работает компрессор следующим образом.
При вращении коленчатого вала 2 шатуны 3 первого ряда и шатун 4 второго ряда преобразуют вращательное движение коленчатого вала 2 в возвратно-поступательное движение крейцкопфа 5 и 6 в направляющих 10 и 11 первого и второго рядов. Крейцкопф 5 первого ряда приводит в движение шток 14 и поршень 13, а крейцкопф 6 второго ряда приводит в движение шток 17 и поршень 16 второго ряда, при этом поршень 13 первого ряда и поршень 16 второго ряда приобретают взаимно-противоположное движение.
При движении поршня 13 первого ряда происходит увеличение объема рабочей полости первой ступени, за счет чего происходит открытие клапанов всасывания 20 и газ поступает в рабочую полость. При обратном движении поршня 13 первой ступени газ сжимается до давления нагнетания первой ступени, происходит открытие клапанов нагнетания 21 первой ступени и сжатый газ покидает рабочую полость цилиндра 12 первой ступени. Аналогично происходит сжатие газа в рабочей полости цилиндра 15 второй ступени.
Уплотнение рабочих полостей ступени происходит за счет установки газовых сальников 24 и 25.
Предлагаемая конструкция поршневого оппозитного компрессора обеспечивает движение поршней в цилиндрах, расположенных с противоположных сторон от коленчатого вала, вдоль одной оси, что позволяет полностью исключить инерционные моменты, которые присутствуют в оппозитных компрессорах традиционной конструкции. В предложенной конструкции исключается воздействие изгибающих моментов на коленчатый вал и шатуны, благодаря чему обеспечивается равномерность распределения масляной пленки в коренных и шатунных подшипниках и увеличивается ресурс работы трущихся частей, полностью исключаются вибрации, тем самым отсутствуют возмущения, передаваемые на фундамент и газовые коммуникации.
Предлагаемая конструкция за счет исключения неуравновешенных моментов инерции обеспечивает возможность повышения частоты вращения коленчатого вала компрессора до 1500 об/мин, что позволяет повысить производительность компрессора и снизить его массогабаритные характеристики.
Предложенное техническое решение расширяет арсенал технических средств, используемых для сжатия природного газа в автомобильных газонаполнительных станциях (АГНКС).