Поршневой компрессор для сжатия газов
PISTON COMPRESSOR FOR COMPRESSION OF GASES

Изобретение относится к компрессорной технике и может быть использовано для совершенствования конструкций поршневых компрессоров с шатунно-поршневой группой, предназначенных для сжатия различных газообразных рабочих сред.
Поршневые компрессоры отличаются надежностью конструкции, удобством эксплуатации и технического обслуживания и поэтому широко применяются для сжатия различных газообразных рабочих сред.
Общим недостатком поршневых компрессоров различной конструкции является наличие весьма существенных утечек сжимаемого рабочего тела через зазоры между уплотнительными кольцами поршня и внутренней поверхностью цилиндра. В результате, снижается степень сжатия рабочего тела, падает производительность и эффективность компрессора.
В то же время, при увеличении средней скорости движения поршня величина утечек через поршневые кольца в компрессоре снижается. Это объясняется тем, что при более высокой скорости поршня сжимаемое рабочее тело не успевает просочиться через зазоры между цилиндром и поршневыми кольцами.
Из уровня техники известны поршневые машины, в которых предлагается осуществить "несимметричный" рабочий цикл, при котором продолжительность фазы всасывания (впуска) рабочего тела в цилиндр будет возможно большей (в частности, больше, чем фазы вытеснения рабочего тела из цилиндра), а скорость перемещения поршня в цилиндре в фазе всасывания рабочего тела возможно меньшей (в частности, меньше, чем в фазе вытеснения рабочего тела из цилиндра) при постоянной частоте вращения вала машины. Предполагается, что это приведет к значительно более полному и эффективному преобразованию механической работы, подводимой к валу поршневой машины, в энергию рабочего тела (в случае использования такой машины в качестве поршневого насоса или компрессора) из-за снижения гидравлических потерь (в фазе всасывания) и утечек рабочего тела через элементы цилиндропоршневого уплотнения (в фазе вытеснения).
Так, известна поршневая машина для транспортировки (перекачки) газообразных и жидких агентов (патент РФ №2212544). В данной поршневой машине должен осуществляться "несимметричный" рабочий цикл. Поршневая машина содержит поршни, цилиндр с пазами на его цилиндрической поверхности, передаточный механизм с роликами, камеру сжатия, клапанную головку, выходной вал. Каждый поршень снабжен подвижным соединением, включающим вал с площадками, ходовые ролики, опирающиеся с двух сторон на указанные площадки и установленные на траверсе, на противоположных концах которой расположены ролики преобразующего механизма. Конфигурация продольного профиля паза цилиндра представляет собой замкнутую многопериодную несимметричную в направлении развертки (относительно боковой поверхности цилиндра) с несколькими экстремумами объемную канавку, причем длина участка канавки, соответствующего фазе всасывания рабочего тела в цилиндр, больше, чем длина участка этой канавки, соответствующего фазе вытеснения рабочего тела из цилиндра. Угол наклона этой канавки к плоскости, перпендикулярной продольной оси поршня, на участках, соответствующих фазе всасывания рабочего тела в цилиндр, выполнен меньшим, чем на участках, соответствующих фазе вытеснения рабочего тела из цилиндра.
Основными недостатками исполнительного механизма, реализующего "несимметричный" рабочий цикл, являются сложность и низкая надежность. В конструкции этого исполнительного механизма используются кинематические пары «ролик-паз», характеризующиеся высокой контактной нагрузкой, причем в процессе работы поршневой машины эти кинематические пары будут подвержены воздействию значительных динамических нагрузок, а также температурных градиентов. В результате, существует опасность проскальзывания и даже заклинивания роликов. Кроме того, интенсивный износ соединений «ролик - паз» цилиндра в процессе эксплуатации компрессора приведет к появлению ошибок перемещения и положения как исполнительного механизма с роликами, так и поршня компрессора. В результате, снизится эффективность функционирования поршневой машины. Кроме того, данное техническое решение разработано применительно к бесшатунным поршневым машинам с вращающимися поршнями и не может быть использовано в поршневых компрессорах с кривошипно-шатунной поршневой группой.
Известна поршневая машина с сокращенным временем рабочего цикла (патент РФ №2375582), принятая за прототип. Задачей изобретения является увеличение производительности поршневой машины за счет сокращения времени рабочего цикла на слабо нагруженных участках.
В поршневой машине вал поршневой группы связан с валом отбора или подвода мощности зубчатым зацеплением, а колеса зацепления имеют дополнительные контактирующие между собой соосные сопряженные активные профили: на колесе поршневой группы в форме высокого зуба (высота профиля две или более высоты зуба основного зацепления относительно окружности впадин), а на колесе отбора или подвода мощности в форме ответного паза. Такая конструкция зубчатых колес позволяет поршневой машине работать в расчетном режиме вблизи от верхней мертвой точки, а остальную часть цикла, слабо нагруженную у компрессоров и двигателей внутреннего сгорания, проходить быстрее.
Недостатком данной конструкции является то, что на конечном участке сжатия (при максимальном давлении сжимаемого рабочего тела) движение поршня замедляется, что приведет к значительным утечкам рабочего тела через поршневые кольца и к снижению производительности компрессора. Кроме того, использование зубчатой передачи, работающей при высоких скоростях практически весь цикл всасывания и сжатия рабочего тела, за исключением небольшого этапа вблизи верхней мертвой точки поршня, неизбежно вызовет повышенный износ зубьев, что приведет к снижению надежности и эффективности поршневого компрессора.
Задачей предлагаемого изобретения является создание надежной в эксплуатации конструкции поршневого компрессора с кривошипно-шатунной поршневой группой для сжатия газообразного рабочего тела с циклическим изменением скорости поршня на различных стадиях рабочего цикла компрессора при постоянной скорости вращения привода компрессора.
Задача решается за счет того, что поршневой компрессор содержит цилиндр, камеру сжатия, клапанную головку, поршень, коленчатый вал с двумя шатунными шейками, первый шатун, шарнирно соединенный с шатунной шейкой коленчатого вала, и отличается тем, что, для обеспечения периодического ускоренного движения поршня, дополнительно содержит второй шатун, а также ведущий вал с жестко соединенным с ним кривошипом, причем второй шатун одним концом шарнирно соединен со свободной шатунной шейкой коленчатого вала, а другим концом шарнирно соединен с кривошипом, а ведущий вал через муфту соединен с валом электродвигателя, причем ось ведущего вала расположена параллельно оси коленчатого вала в горизонтальной плоскости, а размеры звеньев поршневого компрессора удовлетворяют условиям (1), (2), (3) и (4):
1
1
OO+AB<OA+OB (1),
1
0<OO<AB (2),
1
0<OO<OA (3),
1
1
0<OO<OB (4);
где: AB - длина второго шатуна,
OA - длина кривошипа,
1
OB - расстояние от оси коленчатого вала до оси шатунной
шейки второго шатуна,
1
OO - расстояние между осями коленчатого вала и ведущего вала.
Представленное техническое решение поясняется рисунками: фиг. 1 - пространственная структурная схема компрессора; фиг. 2 - принципиальная схема действия привода компрессора.
Поршневой компрессор состоит (фиг. 1) из цилиндра 1, камеры сжатия 2, клапанной головки 3, поршня 4 с поршневыми кольцами 5, коленчатого вала 6, установленного на двух опорах 7, первого шатуна 8, второго шатуна 9, кривошипа 10, жестко закрепленного на ведущем вале 11, установленном на двух опорах 12. Ведущий вал 11 через муфту 13 соединен с валом электропривода 14. Первый шатун 8 одним концом шарнирно соединен с поршнем 4, а другим концом шарнирно соединен с шейкой коленчатого вала 6. Второй шатун 9 одним концом шарнирно соединен со свободной шатунной шейкой коленчатого вала 6, а другим концом шарнирно соединен с кривошипом 10.
Поршневой компрессор работает следующим образом. Вал электродвигателя 14 вращается с постоянной скоростью и передает крутящий момент через муфту 13 на ведущий вал 11. Затем крутящий момент через кривошип 10 и второй шатун 9 передается на коленчатый вал 6, который через первый шатун 8 приводит в движение поршень 4.
1
1
1
1
1
1
Принцип работы привода поршневого компрессора поясняется на фиг. 2. Второй шатун АВ одним концом шарнирно соединен с шатунной шейкой коленчатого вала, а другим концом шарнирно связан с кривошипом OB. Вместе они образуют замкнутый контур плоского четырехзвенника OABO с неподвижным основанием OO. В четырехзвеннике OABO сторона OB - это расстояние от оси коленчатого вала до оси шатунной шейки второго шатуна, а сторона OO - это расстояние между осями коленчатого вала и ведущего вала. Неподвижность основания данного четырехзвенника обеспечивают опоры 7 и 12, соответственно, коленчатого вала 6 и ведущего вала 11.
1
Чтобы обеспечить непрерывное вращательное движение кривошипа 10 и коленчатого вала 6, согласно теореме Грасгофа для двухкривошипного плоского шарнирного механизма, должны выполняться условия соотношения длин сторон плоского четырехзвенника OABO:
1
1
1
1
OO+AB<OA+OB, причем расстояние OO должно быть меньше, чем размеры АВ, OA и ОВ.
1
Точка А кривошипа (фиг. 2) вращается по окружности с центром О равномерно, а точка В второго шатуна движется по окружности с центром O с неравномерной скоростью, причем на участке от точки 0 окружности до точки 6 движение замедленное, а на участке от точки 6 до точки 0 движение ускоренное. Соответственно, эта неравномерность вращения передается от второго шатуна к коленчатому валу и первому шатуну, приводящему в движение поршень.
Для обеспечения синхронизации характера изменения скорости движения поршня на различных стадиях работы компрессора производится регулировка углового положения кривошипа 10 на ведущем вале 11 (на фиг. не показано) таким образом, чтобы при движении поршня от нижней мертвой точки до верхней мертвой точки (на стадии сжатия рабочего тела) движение поршня было ускоренным, а при движении поршня от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки (на стадии всасывания рабочего тела) движение поршня было замедленным.
Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает ускоренное движение поршня компрессора на стадии сжатия рабочего тела и позволяет повысить эффективность поршневого компрессора за счет снижения утечек рабочего тела через зазоры между поршнем и цилиндром.