Поршневая двухступенчатая машина с внутренней системой жидкостного охлаждения
PISTON TWO-STAGE MACHINE WITH INTERNAL LIQUID COOLING SYSTEM

Изобретение относится к энергетическим машинам и может быть использовано при создании высокоэкономичных автономно работающих двухступенчатых компрессоров и гибридных машин - насос-компрессоров с жидкостным охлаждением компрессорных полостей первой и второй ступени.
Известны поршневые двухступенчатые машины, в которых поршень выполнен дифференциальным с большим диаметром в первой и меньшим диаметров во второй ступени (см., например, книгу «Поршневые компрессоры», авторы С.Е. Захаренко и др. - под ред. С.Е. Захаренко. М.-Л.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, стр. 128, фиг. 53а).
Известна также поршневая двухступенчатая машина с дифференциальным поршнем, имеющим больший диаметр в первой и меньший диаметр во второй ступени, а цилиндры обеих ступеней имеют рубашки охлаждения (см. книгу «Судовые компрессорные машины», авторы А.П. Гофлин, В.Д. Шилов. - Л.: Судостроение, 1977, стр. 256, рис. 121).
К недостатку известных конструкций является невозможность их автономной работы из-за необходимости иметь дополнительно внешний источник охлаждающей жидкости под давлением.
Кроме того, как правило, обе ступени машины имеют контактные уплотнения (особенно это касается второй ступени), которые отбирают до 6% мощности, подводимой к коленчатому валу машины от электродвигателя или двигателя внутреннего сгорания.
Технической задачей изобретения является обеспечение работы системы охлаждения без дополнительных внешних устройств и повышение экономичности за счет исключения контактных уплотнений поршней.
Указанная задача решается тем, что в поршневой двухступенчатой машине с дифференциальным поршнем, имеющим больший диаметр в первой и меньший диаметр во второй ступени, а цилиндры обеих ступеней имеют рубашки охлаждения, согласно изобретению между первой и второй ступенями размещена дополнительная поршневая ступень объемного действия, имеющая всасывающие и нагнетательные клапаны, соединенные соответственно с источником жидкости и с рубашками охлаждения цилиндров, причем поршень этой дополнительной ступени является частью дифференциального поршня машины.
Всасывающие клапаны дополнительной ступени могут быть соединены с рубашкой охлаждения второй ступени машины, и эта рубашка может являться частью объема дополнительной ступени.
Диаметр поршня дополнительной ступени может быть равен диаметру поршня второй ступени, и его наружная поверхность может быть снабжена кольцевым выступом, сопрягающимся с цилиндром дополнительной ступени и делящим этот цилиндр на две части, каждая из которых имеет всасывающие и нагнетательные клапаны, соединенные соответственно с источником жидкости и с рубашками цилиндров первой и второй ступени.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 в упрощенном виде изображено продольное (вдоль оси цилиндра) сечение машины, на фиг. 2 - продольное сечение машины с поршнем дополнительной ступени, имеющим кольцевой выступ, на фиг. 3 - пример одной из возможных схем включения машины в общую пневмогидравлическую систему.
Поршневая двухступенчатая машина (фиг. 1) состоит из картера 1 с механизмом привода (на чертеже условно не показан), соединенного через шатун 2 и поршневой палец 3 с дифференциальным поршнем 4, имеющим больший диаметр в первой 5 и меньший диаметр во второй 6 ступени, а цилиндры 7 и 8 обеих ступеней имеют рубашки охлаждения 9 и 10.
Между первой 5 и второй 6 ступенями размещена дополнительная поршневая ступень 11 объемного действия, имеющая всасывающие 12 и нагнетательные 13 клапаны, соединенные каналами соответственно с источником жидкости и с рубашкой охлаждения 9 цилиндра 7 через теплообменник 14, причем поршень 15 этой дополнительной ступени является частью дифференциального поршня 4 машины.
Всасывающие клапаны 12 дополнительной ступени 11 соединены с рубашкой охлаждения 10 второй ступени 6 машины, и эта рубашка 10 является частью объема дополнительной ступени 11.
Первая ступень 5 соединена всасывающим клапаном 16 с источником газа и через нагнетательный клапан 17, теплообменник 18 и всасывающий клапан 19 - со второй ступенью 6, которая через нагнетательный клапан 20 сообщается с потребителем газа.
Поршень 4 центрируется в машине с помощью антифрикционной направляющей втулки 21, запрессованной в цилиндре 22 дополнительной ступени 11.
В конструкции машины, изображенной на фиг. 2, диаметр поршня 15 дополнительной ступени равен диаметру поршня второй ступени 6 и его наружная поверхность снабжена кольцевым выступом 23, сопрягающимся с цилиндром 22 дополнительной ступени и делящим этот цилиндр на две части - полости 24 и 25, каждая из которых имеет всасывающие (12 и 26) и нагнетательные (13 и 27) клапаны, соединенные каналами соответственно с источником жидкости и с рубашками 9 и 10 цилиндров первой 5 и второй 6 ступени.
На фиг. 3 показано два варианта включения машины, изображенной на фиг. 1, в пневмогидравлическую сеть. Здесь позициями обозначены только основные элементы машины.
В качестве источника газа в этой схеме служит окружающая атмосфера, и воздух попадает на всасывание первой ступени 5 через всасывающий фильтр 28, а после сжатия в обеих ступенях (5 и 6) проходит через фильтр-масловлагоотделитель 29, концевой теплообменник 30, и направляется потребителю.
Жидкость на всасывание дополнительной ступени попадает из гидробака 31 через фильтр 32.
В том случае, если машина работает не только с внутренним охлаждением, а еще и снабжает потребителя жидкостью под давлением, последняя из рубашки 9 первой ступени 5 направляется непосредственно потребителю жидкости по линии нагнетания 33, после чего возвращается в гидробак 31 по линии возврата 34.
В том случае, если машина используется только как двухступенчатый компрессор с внутренним охлаждением, жидкость из рубашки 9 направляется по оборотному трубопроводу 35 (показан штриховой линией) сначала в теплообменник 36, после чего возвращается в гидробак 31.
Машина работает следующим образом (фиг. 1).
При возвратно-поступательном движении поршня 4, которое передается ему от механизма движения через шатун 2 и палец 3, изменяются объемы ступеней 5, 6 и 11. При этом газ всасывается в первую ступень 5 через клапан 16, сжимается в ней до низкого давления (например, до 4-6 бар) и нагнетается через клапан 17 в теплообменник 18, который одновременно служит ресивером. Охлажденный в теплообменнике 18 газ через клапан 19 всасывается во вторую ступень 6, дожимается в ней до высокого давления (например, до 20-25 бар) и направляется через клапан 20 потребителю.
Одновременно при возвратно-поступательном движении поршня 4 и его части, представляющей собой поршень 15, происходит всасывание жидкости через клапан 12 в рубашку 10 и в полость 11, ее сжатие и нагнетание через клапан 13 в теплообменник 14, где жидкость охлаждается и затем поступает в рубашку 9, откуда она истекает к потребителю жидкости.
В процессе течения жидкости через рубашки 10 и 9 она отнимает теплоту от стенок цилиндров 7 и 8, которая передается им от газа при его сжатии, и снижает температуру стенок. Это приводит к интенсивному отводу теплоты сжатия от газа, снижению политропы процесса сжатия и повышению КПД рабочих циклов, протекающих в ступенях 5 и 6.
Кроме того, при движении поршня 4 вверх, сжатая жидкость попадает в зазор между поршнем ступени 6 и цилиндром 8, создавая в этом зазоре гидравлический затвор, через который невозможны утечки газа из ступени 6 в процессе сжатия-нагнетания. При ходе поршня 4 вниз, в связи с высокой вязкостью и плотностью жидкости, величина разрежения в ступени 11 существенно больше, чем в ступени 6, где происходит всасывание газа, в связи с чем жидкость, поступившая в процессе сжатия-нагнетания в зазор между поршнем ступени 6 и цилиндром 8, истекает назад, в полость ступени 11.
Аналогичные процессы происходят и между полостью ступени 11 и полостью ступени 5 - при сжатии-нагнетании жидкости в ступени 11 она проникает в зазор между поршнем 15 и направляющей втулкой 21 и образует гидрозатвор, а при всасывании жидкости - возвращается в полость ступени 11.
Машина, изображенная на фиг. 2, работает аналогично вышеописанной. Разница состоит в том, что дополнительная ступень разбита кольцевым выступом 23 на две полости - 24 и 25, что позволяет более равномерно нагнетать жидкость потребителю (и при ходе поршня 4 вверх, и при его ходе вниз происходит нагнетание жидкости), т.к. в этом случае дополнительная ступень работает как насос двойного действия. Кроме того, охлаждение первой ступени 5 происходит более интенсивно, чем в конструкции, показанной на фиг. 1, что позволяет увеличить в ней степень повышения давления (например, до 10-12), что дает возможность увеличить давление нагнетания газа, развиваемое машиной.
Таким образом, машина, изображенная на фиг. 2 при небольшом усложнении конструкции, может преимущественно использоваться при повышенных требованиях к равномерности подачи жидкости потребителю и необходимости получения повышенного давления газа.
На фиг. 3 показаны схемы возможных вариантов включения машины в общую пневмогидравлическую систему - с подачей жидкости под давлением потребителю и при использовании дополнительной ступени только для охлаждения. Данная схема пояснений не требует.
В предложенной конструкции машины охлаждение ее цилиндров, сжимающих газ, организовано без использования внешних источников давления жидкости, что позволяет использовать ее автономно с основными экономическими и техническими показателями (удельные затраты энергии на сжатие и перемещение газа, общая степень повышения давления), характерными для поршневых машин с рубашечным охлаждением, имеющим внешние источники давления охлаждающей жидкости.
Кроме того, наличие гидрозатворов в уплотнении поршней первой и второй ступени позволяет отказаться от контактных поршневых уплотнений, на работу которых расходуется до 6% подводимой к машине мощности и которые имеют неизбежный износ, снижающий безостановочный ресурс работы.
Таким образом, можно констатировать, что техническая задача полностью выполнена.