ПОРШНЕВОЙ КОМПРЕССОР

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно, к компрессоростроению, и может найти применение в воздушных и газовых поршневых компрессорах для обеспечения сжатым воздухом или газом потребителей в различных областях промышленности, а также в насосо- и двигателестроении.
Известен поршневой компрессор, содержащий механизм движения с вертикальным расположением коленчатого вала, соединенным шатуном с цилиндрами, расположенными звездообразно в горизонтальной плоскости под углом под 90° друг к другу (см. патент Китая №103452798, МПК F04B 27/053, F04B 35/04, опубл. 2013 г).
Недостатком данного известного устройства является малая производительность.
Известен также поршневой компрессор с четырьмя цилиндрами, расположенными веерообразно в горизонтальной плоскости под углом 90° друг к другу, и механизмом движения, включающем вертикально установленный коленчатый вал, соединенный приводными шатунами с расположенными в цилиндрах поршнями (см. патент РФ на полезную модель №173811, МПК F04B 27/04, опубл. 12.09.2017).
Недостатком данного технического решения является малая производительность.
Наиболее близким решением к заявляемой полезной модели является конструкция механизма движения поршневого компрессора высокого и сверхвысокого давления с применением обводных крейцкопфов (см. Пластинин П.И. Поршневые компрессоры. Том 2. Основы проектирования. Конструкции. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Колос, стр. 454-457, 2008 г). В данной конструкции обводной крейцкопф выполнен составным и состоит из специальных крейцкопфа и ползуна, имеющих плоские рабочие (направляющие) поверхности и соединяющихся жесткими тягами. С двух сторон к обводному крейцкопфу подсоединены два плунжера (поршня) оппозитно и соосно расположенных цилиндра одностороннего действия так, что газовые силы, действующие на эти плунжеры, замыкаются на обводном крейцкопфе. Поэтому на механизм движения передаются усилия, обусловленные не давлением в цилиндрах, а лишь разницей давления газа в оппозитных цилиндрах одностороннего действия.
Недостаток прототипа заключается в невысокой производительности при большей металлоемкости.
Была поставлена задача - уменьшение габаритов и металлоемкости компрессора при увеличении его производительности.
Поставленная задача решена тем, что поршневой компрессор, содержащий кривошипный механизм, включающий коленчатый вал, на шатунной шейке которого установлен шатун, две поршневые группы, состоящие из штоков первой и второй ступеней с закрепленными на них поршнями первой и второй ступеней соответственно, помещенными в оппозитно и соосно расположенные цилиндры первой и второй ступени соответственно, согласно полезной модели, снабжен узлами уплотнения штоков, установленными в цилиндрах первой и второй ступеней одинарного и двойного действия соответственно, содержит обводную серьгу, соединенную через палец с шатуном, а через резьбовые соединения - со штоками противолежащих поршневых групп, внутренняя поверхность цилиндров одинарного и двойного действия снабжена направляющими и поршневыми кольцами первой и второй ступеней соответственно, серьга выполнена из двух плоских металлических щек, соединенных между собой бобышками с соосными отверстиями для фиксации в них штоков, снабжена стопорными кольцами для фиксации пальца шатуна и имеет вырез в центральной части для возможности свободного движения шатуна и коленчатого вала. Кроме того, соединение щек с бобышками выполнено сварным. Штоки зафиксированы в бобышках штифтами. Направляющие и поршневые кольца выполнены из полимерного композитного материала, а серьга выполнена из кремниемарганцовистой стали.
Технический результат заключается в создании быстроходного (1500 об/мин. в отличие от 500 об/мин. у прототипа) малогабаритного и менее металлоемкого (за счет отсутствия двух крейцкопфов и одного шатуна) поршневого компрессора с односторонними и двухсторонними рабочими процессами в цилиндрах одинарного и двойного действия.
Кроме того, за счет технологичной формы корпуса компрессора (противоположно расположенные грани, а их может быть более двух) возникает:
- возможность базирования на станке, возможность совместной механической обработки посадочных поверхностей под противолежащие цилиндры;
- минимальный опрокидывающий момент, действующий на коленчатый вал за счет разноса цилиндров, ввиду расположения всех шатунов на одной шатунной шейке коленчатого вала, и как следствие, малое расстояние между цилиндрами;
- исключение очень малых значений возможных перекосов осей цилиндров и поршней за счет совместного выполнения механической обработки посадочных поверхностей под противолежащие цилиндры и обеспечения точной механической обработкой соосности бобышек для крепления штоков в серьге обводной.
Предлагаемый механизм движения позволяет устанавливать пару цилиндров как в горизонтальном положении, так и в вертикальном, а также под углом (при условии обеспечения их соосности), что дает возможность компоновать компрессор из двух, трех и более пар цилиндров, располагающихся под разными углами.
На фиг. 1 изображен продольный разрез поршневого компрессора; на фиг. 2 - обводная серьга с шатуном в сборе.
Поршневой компрессор рассматривается на примере одной пары цилиндров и поршней.
Поршневой компрессор (фиг. 1) содержит механизм движения, состоящий из коленчатого вала 1, на шатунной шейке которого установлен шатун 2, через палец 3 соединяющийся с обводной серьгой 4. Противолежащие поршневые группы включают штоки 5 и 6 первой и второй ступеней соответственно с закрепленными на них поршнями 7 и 8 первой и второй ступеней соответственно. Направляющие кольца 9 и поршневые кольца 10 размещены на внутренних поверхностях цилиндров 11 и 12 одинарного и двойного действия первой и второй ступеней соответственно. Штоки 5 и 6 соединены посредством резьбы с серьгой 4. В цилиндрах 11 и 12 установлены узлы 13 уплотнения штоков 5 и 6, служащие для предотвращения утечек рабочей среды из полости сжатия цилиндров 11 и 12 в атмосферу.
Обводная серьга 4 с шатуном 2 (фиг. 2) представляет собой две плоские металлические щеки 14 и имеет вырез 15 в центральной части. Размеры выреза 15 подобраны с учетом расположения и вращения внутри него шатуна 2 и коленчатого вала 1. Щеки 14 соединены между собой бобышками 16 посредством сварки. При этом механической обработкой обеспечивается соосность резьбовых отверстий в бобышках 16 между собой. Шатун 2 прикреплен к щекам 14 серьги 4 через палец 3, помещенный во втулку 17, который фиксируется в щеках стопорными кольцами 18. Для фиксации штоков 5 и 6 в бобышках 16 серьги 4 предусмотрены штифты 19. Шатун 2 выполнен разъемным из двух частей, установлен на шатунную шейку коленчатого вала 1 и стянут при помощи шатунных болтов 20.
Направляющие и поршневые кольца 9 и 10 соответственно выполнены из полимерного композитного материала, например, на основе полимерных волокон. Серьга 4 выполнена из кремниемарганцовистой стали.
После сборки компрессора и установки мертвого пространства между цилиндром 11 и поршнем 7 первой ступени компрессора и аналогично установки мертвого пространства между цилиндром 12 и поршнем 8 второй ступени производят фиксацию штоков 5 и 6 от осевого перемещения стопорными винтами (на чертеже не показаны).
Поршневой компрессор работает следующим образом.
Вращение коленчатого вала 1, передающееся через кривошип (на чертеже не показан) и шатун 2 с серьгой 4 на поршневые группы (штоки 5 и 6 с поршнями 7 и 8 соответственно), преобразовывается в прямолинейное возвратно-поступательное движение поршней 7 и 8.
При сборке поршня 7 в цилиндре 11 первой ступени происходит центровка штока 5 первой ступени относительно оси цилиндров 11 и 12 за счет посадки направляющих колец 9 на поршне 7 и по диаметру цилиндра 11. Расстояние между двумя направляющими кольцами 9, опирающимися на рабочую поверхность цилиндра 11, с учетом точности изготовления направляющих колец 9, (минимальный зазор между кольцами 9 и стенкой цилиндра 11), определяет угол перекоса поршня 7 первой ступени в цилиндре 11. Для поршня 8 второй ступени расстояние между двумя направляющими кольцами 9, опирающимися на рабочую поверхность цилиндра 12 определяет угол перекоса поршня 8 второй ступени в цилиндре 12.
Таким образом, с учетом высокой точности механической обработки посадочных поверхностей цилиндров центровка по линии поршень 7 первой ступени - шток 5 первой ступени - серьга 4 - шток 6 второй ступени - поршень 8 второй ступени происходит по направляющим кольцам 9 в цилиндрах 11 и 12. Перекос вышеупомянутых деталей зависит от расстояния между крайними направляющими кольцами 9 поршней 7 и 8 и зазора между направляющими кольцами 9 и стенками цилиндров 11 и 12. При этом с учетом того, что компрессор безмасляный и направляющие 9 и поршневые 10 кольца выполнены из полимерного композитного материала, они при работе компрессора притираются к зеркалу цилиндра, постепенно со временем соприкасаясь с ним по всей поверхности, что благоприятно сказывается на динамике работы цилиндро-поршневых групп.
Во время вращения кривошипно-шатунного механизма возникают силы инерции от следующих масс поступательно движущихся деталей: серьги 4, пальца 3 шатуна 2, штоков 5 и 6 первой и второй ступени, поршней 7 и 8 первой и второй ступени, шатуна 2. В противодействие этим силам возникают силы от компримированных газов в рабочих полостях цилиндров 11 и 12, что уменьшает силы инерции и нагрузку на механизм движения. Направляющие кольца 9 первой и второй ступени воспринимают нагрузку от нормальных сил, передающихся от кривошипно-шатунного механизма через серьгу 4 штокам 5 и 6 и поршням 7 и 8. Направляющие кольца 9 рассчитаны на контактные напряжения от действия нормальных сил.