ПОРШНЕВОЙ КОМПРЕССОР БЕЗ СМАЗКИ
PISTON COMPRESSOR WITHOUT LUBRICATION

Изобретение относится к области компрессоростроения и может быть использовано преимущественно при создании поршневых компрессоров без смазки цилиндропоршневой группы средней и большой производительности.
Известен поршневой вертикальный компрессор без смазки, содержащий цилиндр с обратными всасывающим и нагнетательным клапанами и размещенный в нем с образованием рабочей камеры поршень, частично заполненный охлаждающей жидкостью (см., например, Авторское свидетельство СССР №731038 от 30.04.1980, кл. F04B 31/00).
Известен также поршневой компрессор без смазки, содержащий цилиндр с обратными всасывающим и нагнетательным клапанами и размещенный в нем с образованием рабочей камеры поршень с ребрами охлаждения в нижней части, частично заполненный охлаждающей жидкостью и снабженный системой ее прокачки жидкости по телу поршня (см., например, Авторское свидетельство СССР №985417 от 30.12.1982, кл. F04B 31/00).
Недостатком известных конструкций является низкая эффективность системы охлаждения поршня, что приводит к необходимости работы с большими зазорами в цилиндропоршневой паре при использовании щелевых уплотнений и к быстрому износу самосмазывающихся материалов поршневых колец контактных уплотнений. Все это вместе взятое снижает КПД цикла и работоспособность компрессора.
Задачей изобретения является повышение КПД цикла и работоспособности компрессора путем организации эффективной прокачки охлаждающей жидкости по телу поршня для снижения его температуры и выравнивания теплонапряженности вдоль образующей поршня.
Данный технический результат достигается тем, что в поршневом компрессоре без смазки, содержащем цилиндр с обратными всасывающим и нагнетательным клапанами и размещенный в нем с образованием рабочей камеры поршень с ребрами охлаждения в нижней части, частично заполненный охлаждающей жидкостью и снабженный системой ее прокачки жидкости по телу поршня,  система охлаждения поршня выполнена в виде замкнутых сообщающихся сосудов, по крайней мере один из которых изготовлен в виде цилиндра с массивным поршнем, ось которого параллельна оси цилиндра, при этом разность объемов поршня системы охлаждения и цилиндра, в котором он находится, может быть равна или больше суммарного объема сосудов, сообщающихся с этим цилиндром, а часть сообщающихся сосудов может быть расположена в теле ребер охлаждения.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 изображено продольное сечение цилиндропоршневой группы бессмазочного компрессора с гладким щелевым поршневым уплотнением, на фиг.2 и 3 - ее поперечное сечение, на фиг.4 - продольное сечение при выполнении поршня в виде газового подвеса, на фиг.5 - при использовании самосмазывающихся уплотнений зазора между поршнем и цилиндром, на фиг.6 - продольное сечение цилиндропоршневой группы, в которой жидкостные каналы системы охлаждения поршня частично размещены в ребрах охлаждения, на фиг.7 и 8 показана динамика движения поршня системы охлаждения.
Компрессор состоит (фиг.1-3) из цилиндра 1 с обратными самодействующими клапанами 2 и 3 (соответственно всасывающий и нагнетательный клапаны), в котором размещен поршень 4 с образованием рабочей камеры 5. Внутри поршня 4 размещена группа сообщающихся сосудов, заполненных охлаждающей жидкостью и представляющих собой продольные отверстия 6, расположенные вдоль наружной образующей поршня 4, и центральное отверстие 7, выполненное в виде цилиндра, разбитого массивным поршнем 8 на полости 9 и 10, которые соединены (сообщены) с продольными отверстиями 6 радиальными каналами 11. Поршень 8 изготовлен из антифрикционного материала (например, композит на основе фторопласта-40) и имеет сердцевину 12, изготовленную из материала с большим удельным весом (например, из свинца). Он установлен в отверстии 7 на пружинах сжатия 13 и 14, которые служат для предотвращения ударов поршня 8 о поршень 4. В нижней части поршень 4 снабжен ребрами 15 для отвода теплоты в окружающую среду (подпоршневое пространство). Поршень 4 имеет гладкую наружную поверхность, образующую с внутренней поверхностью цилиндра 1 гладкое щелевое уплотнение с зазором 16.
При использовании газостатического подвеса в конструкции цилиндропоршневой пары (газовый подвес поршня, фиг.4) в поршне 4 размещается полость 17, соединенная с рабочей полостью 5 через обратный клапан 18 и с зазором 16 через равномерно расположенные по окружности поршня 4 дроссельные устройства (в данном примере - отверстия) 19.
При использовании в компрессоре самосмазывающихся контактных уплотнений (фиг.5) на поршне устанавливаются поршневые кольца 20 и направляющее кольцо (башмак) 21.
С целью наиболее эффективного отвода теплоты от поршня 4 сообщающиеся сосуды в виде отверстий могут проходить непосредственно через ребра охлаждения 15 (фиг.6).
Компрессор работает следующим образом (фиг.1).
При возвратно-поступательном движении поршня 4 из крайнего нижнего (нижняя мертвая точка - НМТ) в верхнее крайнее (верхняя мертвая точка - ВМТ) положение и обратно объем камеры 5 изменяется, что при ее увеличении (поршень 4 идет вниз) приводит к разрежению, открытию клапана 2 и всасыванию газа. При ходе поршня 4 вверх объем камеры 5 уменьшается, давление газа в ней растет, что приводит к закрытию клапана 2, происходит сжатие газа до давления за клапаном 3, после чего клапан 3 открывается и сжатый газ поршнем 4 вытесняется из камеры 5 потребителю. Уплотнение поршня осуществляется за счет гидравлического сопротивления зазора 16 (фиг.1, 4, 6-8) или за счет поршневых колец (фиг.5). Удержание поршня в концентричном положении относительно цилиндра 1 осуществляется либо направляющим механизмом (фиг.1, на рисунке не показан), либо антифрикционным кольцом (башмаком) 21 (фиг.5), либо за счет работы газового несущего слоя, образующегося при истечении сжатого газа из полости 17 через дроссельные отверстия 19 в зазор 16. Сжатый газ попадает в полость 17 из камеры 5 через клапан 18 в процессе сжатия-нагнетания газа в камере 5 (фиг.4). В процессе сжатия-нагнетания газ в камере 5 нагревается до величины, определяемой отношением давления нагнетания к давлению всасывания (чем это отношение больше, тем сильнее нагревается газ), и за счет конвективного теплообмена передает теплоту стенкам цилиндра и днищу поршня 4, от которого теплота распространяется на все тело поршня.
Работа системы охлаждения поршня 4 происходит следующим образом (фиг.7 и 8).
При подходе поршня 4 к ВМТ (фиг 7) его скорость падает от максимального значения до нуля в самой ВМТ, но под действием сил инерции поршень 8 продолжает движение, уменьшая объем полости 9 и увеличивая объем полости 10, в связи с чем жидкость из полости 9 через каналы 11 и отверстия 6 перетекает в полость 10, перенося теплоту Q, отнятую от нагретой верхней части поршня (днища) в нижнюю часть поршня, где теплота передается путем конвективного теплообмена и теплопроводности ребрам 15 и далее от них за счет конвективного теплообмена - в подпоршневое пространство. При этом температура жидкости, находящейся в нижней части поршня 4, снижается.
При ходе поршня 4 вниз (фиг.8) сначала поршень 8 под действием сил инерции прижимается к верхней части поршня 4 (к днищу), но после прохождения поршнем 4 середины хода его движение замедляется, а поршень 8 под действием сил инерции продолжает движение вниз, при этом объем полости 9 увеличивается, а полости 10 - уменьшается и остывшая жидкость из полости 10 начинает перетекать в верхнюю часть поршня.
Далее процесс повторяется.
Таким образом, теплота от верхней части поршня 4 переносится в его нижнюю часть и далее - в окружающую среду. Наиболее эффективно это происходит в том случае, если жидкость протекает непосредственно через ребра 15. Кроме того, чтобы жидкость полностью перетекала из верхней части поршня 4 (из полости 9) в нижнюю часть (полость 10), что обеспечивает полноценную и наиболее эффективную работу системы охлаждения поршня 8, суммарный объем этих полостей должен быть как минимум равен объему всех отверстий и каналов, соединяющих эти полости. Это конструктивно выполняется в том случае, если разность объемов поршня 8 системы охлаждения и цилиндра (отверстия 7), в котором он находится, по абсолютной величине равна или больше суммарного объема сосудов (каналы 11, отверстия 6), сообщающихся с этим цилиндром и соединяющих верхнюю 9 и нижнюю 10 полости.
Таким образом, в предложенной конструкции компрессора без смазки происходит интенсивная перекачка охлаждающей жидкости из верхней (нагретой) в нижнюю (холодную) часть поршня 4 и наоборот, что позволяет как снизить температуру самого поршня 4 (особенно важно - днища поршня), так и выровнять его температуру вдоль образующей.
Снижение температуры днища поршня 4 приводит к повышению эффективности процесса сжатия за счет лучшего охлаждения сжимаемого газа, приближая его к изотермическому, что повышает КПД цикла компрессора. Кроме того, при установке в верхней части поршня 4 поршневых колец 20 из композитов существенно улучшаются условия их работы, т.к. одним из основных критериев работоспособности композиционных самосмазывающихся материалов на основе политетрафторэтилена (фторопласт-40, «Тефлон»), которые в основном и используются при изготовлении поршневых колец (например, Ф4К20, Ф4К15М5, «Криолон» и т.д.), является температура, повышение которой сопровождается увеличением износа.
Интенсивный перенос теплоты из верхней части поршня 4 в нижнюю также способствует более равномерному распределению теплонапряженности поршня 4 вдоль его образующей, что очень важно для сохранения формы поршня 4 и, следовательно, зазора 16, который при использовании щелевых уплотнений при жестком направлении поршня 4 (фиг.1) или при использовании несущего газового слоя (фиг.4) должен быть чрезвычайно мал (например, при диаметре поршня порядка 100 мм этот зазор должен быть в пределах 10-30 мкм). Неравномерность нагрева поршня 4 приводит к тому, что разные поперечные сечения поршня 4 прогреваются по-разному, и в связи с тем, что при нагреве поршень 4 увеличивается в диаметре, это увеличение также происходит неравномерно и для обеспечения обязательного наличия зазора в цилиндропоршневой группе приходится искусственно увеличивать зазор 16, чтобы не допустить заклинивания, что ведет к снижению КПД компрессора из-за больших утечек через зазор 16 в процессах сжатия и нагнетания. Равномерный прогрев позволяет организовать работу цилиндропоршневой пары с минимально (технологически) возможными зазорами 16, что существенно повышает КПД цикла компрессора.