Поршневой компрессор, герметичное при повышенном давлении уплотнение и способ
PISTON COMPRESSOR, SEALED WITH HIGH PRESSURE SEAL AND METHOD

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Варианты выполнения изобретения, описанные в данном документе, относятся, в целом, к поршневым компрессорам и, в частности, к герметичному при повышенном давлении уплотнению для поршневого компрессора.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Несущий корпус поршневого компрессора содержит, как правило, картер, направляющие для ползуна, промежуточную вставку и цилиндр. Расположенный в картере коленчатый вал, смазываемый маслом и установленный на подшипниках, вращается посредством входного вала, соединенного с первичным движителем, например, с двигателем внутреннего сгорания. Между коленчатым валом и ползуном, установленным с возможностью скольжения в направляющих для ползуна, проходит шатун. При этом направляющие для ползуна выполнены с возможностью направления ползуна и шатуна для преобразования вращательного движения коленчатого вала в возвратно-поступательное линейное движение ползуна. Между направляющими для ползуна и цилиндром расположена промежуточная вставка, описанная более подробно далее, и поршневой шток, соединенный с ползуном, проходит через промежуточную вставку к поршню в цилиндре. Расположенный на корпусе цилиндра первый одноходовой клапан обеспечивает возможность втягивания рабочего газа в цилиндр во время такта всасывания, а расположенный на корпусе цилиндра второй одноходовой клапан обеспечивает возможность выпуска рабочего газа из цилиндра при достижении заранее определенного давления. Таким образом обеспечена возможность сжатия рабочего газа, например природного газа, для использования, дальнейшей обработки и/или транспортирования.
[0003] Обычная промежуточная вставка содержит герметичное при повышенном давлении уплотнение, проходящее вокруг поршневого штока, для герметизации цилиндра и компрессорного узла из поршня и штока. В промежуточной вставке также может быть предусмотрен обтиратель поршневого штока, предназначенный для удаления смазочного материала, оседающего на поршневом штоке со стороны картера.
[0004] Промежуточная вставка может быть предназначена для обеспечения разделительного расстояния между концом со стороны кривошипа и цилиндром для предотвращения взаимного загрязнения между смазочным материалом компрессора и рабочим газом. В частности, камера в промежуточной вставке может быть выполнена с длиной, достаточной для предотвращения входа движущегося возвратно-поступательно поршневого штока как в обтиратель поршневого штока, так и в указанное уплотнение. На штоке может также находиться маслоотражатель в указанной камере для предотвращения перемещения смазочного материала к уплотнению.
[0005] Для дополнительного контроля герметичности и предотвращения взаимного загрязнения промежуточная вставка может иметь внутреннюю камеру, описанную выше, и внешнюю камеру, отделенную от внутренней камеры разделительной стенкой, содержащей разделительное уплотнение. Могут быть также реализованы регулирующие элементы других типов, например, внутренняя и/или внешняя промежуточная вставка может быть выполнена с возможностью продувки инертным газом, подаваемым в герметичный контейнер. Как другой пример, для герметичного при повышенном давлении уплотнения во внешней камере могут отдельно присутствовать хладагент и/или смазка.
[0006] Тип промежуточной вставки, используемой, например с единичной камерой и с внутренней/внешней камерой, и способ управления промежуточной вставкой и/или герметичным при повышенном давлении уплотнением, например, путем продувания, вентиляции и другим подобным образом, может быть определяющим для выбора типа рабочего газа, сжимаемого при помощи поршневого компрессора. Подобная зависимость приведена, например, в стандарте API 618 (Американский институт нефти) под названием "Поршневые компрессоры, используемые в нефтяной, химической и газовой отраслях промышленности" и/или в стандарте ISO 13631 (Международная организация по стандартизации) "Спецификация для блочных поршневых компрессоров для отраслей по добыче нефти и газа, опубликованная Американским институтом нефти". Оба указанных стандарта включены в настоящий документ путем ссылки. Например, природный газ, как правило, не содержащий сероводорода, так называемый "бессернистый газ", можно сжимать поршневым компрессором с единичной камерой. Однако, природный газ, содержащий значительное количество сероводорода, так называемый "сернистый газ", и другие газы, считающиеся опасными, коррозионными или другим образом токсичными, часто необходимо сжимать поршневым компрессором, имеющим промежуточную вставку с двумя камерами. Для подобных компрессоров может дополнительно требоваться продувка и вентиляция указанного герметичного уплотнения между промежуточной вставкой и узлом цилиндра.
[0007] Если поршневой компрессор используют в месте, в котором рабочий газ меняется от бессернистого газа до сернистого газа, то может быть необходимо реконструировать компрессор с помощью промежуточной вставки с двумя камерами так, чтобы можно применить дополнительный контроль для рабочего газа. Для данного изменения часто требуется модификация или замена других компонентов компрессора для адаптации к изменению, например, для адаптации второй камеры промежуточной вставки с двумя камерами может потребоваться более длинный поршневой шток. Часто изменяется вся площадь, занимаемая поршневым компрессором, и таким образом необходимо вкладывать дополнительное время и расходы для изменения компонентов, расположенных на периферии компрессора. Данные изменения являются не только затратными по времени, дорогостоящими и часто трудновыполнимыми, но вводимые в компрессор дополнительные компоненты повышают уровень механической сложности и делают, таким образом, компрессор более подверженным поломкам, например, протечкам.
[0008] Таким образом, существует потребность в поршневом компрессоре и, в частности, в герметичном при повышенном давлении уплотнении, позволяющим легко преобразовывать поршневой компрессор для сжатия газов различных типов, более легко обслуживать этот компрессор и сделать его более надежным и менее подверженным протечкам.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0009] В соответствии с предпочтительным вариантом изобретения герметичное при повышенном давлении уплотнение для поршневого штока поршневого компрессора содержит корпус, имеющий сквозное отверстие для поршневого штока. Камера, расположенная в пределах указанного корпуса, совмещена с указанным сквозным отверстием, а осевая длина указанной камеры по меньшей мере равна ходу поршневого штока.
[0010] В соответствии с другим предпочтительным вариантом изобретения поршневой компрессор содержит поршневой шток, герметичное при повышенном давлении уплотнение вокруг поршневого штока и промежуточную вставку. Указанное уплотнение по меньшей мере частично расположено внутри промежуточной вставки. Первая камера выполнена с обеспечением приема рабочего газа, протекающего по поверхности поршневого штока из указанного уплотнения, а вторая камера внутри указанного уплотнения выполнена с возможностью предотвращения входа смазочного материала, расположенного на поршневом штоке, в первую камеру.
[0011] В соответствии с другим вариантом изобретения предложен способ преобразования поршневого компрессора, работающего на бессернистом газе, в поршневой компрессор, работающий на сернистом газе, где компрессор, работающий на бессернистом газе, имеет промежуточную вставку с единичной камерой, причем в указанном способе в промежуточную вставку вставляют герметичное при повышенном давлении уплотнение, имеющее камеру с осевой длиной, по меньшей мере равной ходу поршневого штока компрессора, причем камера в промежуточной вставке действует в качестве первой камеры для приема рабочего газа, а камера в указанном уплотнении действует в качестве второй камеры для предотвращения взаимного загрязнения, и в способе дополнительно соединяют газопровод из указанной вставки с проходом в указанном уплотнении, который имеет выход, открытый в первую камеру, когда вставлено указанное уплотнение.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0012] Прилагаемые чертежи, которые включены в рассматриваемое описание, описывают один или более вариантов выполнения изобретения и, совместно с описанием, предназначены для их раскрытия. На чертежах:
[0013] фиг. 1 изображает вид в аксонометрии предпочтительного варианта предлагаемого изобретения;
[0014] фиг. 2 изображает увеличенный вид с вырезом предпочтительного варианта изобретения, показанного на фиг. 1;
[0015] фиг. 3 изображает разрез герметичного при повышенном давлении уплотнения в соответствии с вариантом выполнения, показанным на фиг. 1;
[0016] фиг. 4 изображает в разобранном виде герметичное при повышенном давлении уплотнение в соответствии с вариантом выполнения, показанным на фиг. 3;
[0017] фиг. 5 изображает разрез промежуточной вставки и герметичного при повышенном давлении уплотнения в соответствии с примерным вариантом выполнения, показанным на фиг. 1;
[0018] фиг. 6 изображает вид в аксонометрии с вырезом промежуточной вставки и герметичного при повышенном давлении уплотнения в соответствии с примерным вариантом выполнения, показанным на фиг. 1;
[0019] фиг. 7 изображает вид сзади, с вырезом, промежуточной вставки с установленным герметичным при повышенном давлении уплотнением в соответствии с примерным вариантом выполнения, показанным на фиг. 1;
[0020] фиг. 8 изображает разрез промежуточной вставки, показанной на фиг. 7;
[0021] фиг. 9 изображает вид сзади промежуточной вставки, показанной на фиг. 7;
[0022] фиг. 10 изображает другой вид сзади промежуточной вставки, показанной на фиг. 7.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0023] В следующем описании предпочтительных вариантов изобретения ссылка делается на прилагаемые чертежи. На разных чертежах одинаковые номера позиций обозначают одинаковые или аналогичные элементы. Следующее подробное описание не ограничивает предлагаемое изобретение. Напротив, объем правовой защиты изобретения определен независимыми пунктами формулы изобретения. Следующие варианты изобретения описаны с использованием, для простоты, терминологии и конструкции поршневой компрессорной установки. Однако, описанные ниже варианты не ограничены этими примерными установками и применимы для других установок.
[0024] Во всем описании ссылка на «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» означает, что отдельный признак, конструкция или характеристика, описанная в связи с вариантом выполнения, содержится в, по меньшей мере, одном варианте выполнения предлагаемого изобретения. Таким образом, фразы "в одном варианте выполнения" или "в варианте выполнения" в соответствующих местах во всем описании не обязательно относятся к одному и тому же варианту выполнения. Кроме этого, отдельные признаки, конструкции или характеристики могут быть скомбинированы любым подходящим образом в одном или более варианте выполнения.
[0025] На фиг. 1 изображен предпочтительный вариант выполнения предлагаемого поршневого компрессора 10. Несущий корпус компрессора 10 содержит картер 12, имеющий коленчатый вал 14, установленный с возможностью вращения в указанном картере. Компрессор 10 выполнен с двухходовой конфигурацией, так что его секции проходят в противоположных направлениях от картера 12. Для специалиста очевидно, что другие предпочтительные варианты выполнения могут содержать любое количество ходов, в том числе, один, четыре, восемь и т.д. Каждая секция компрессора содержит направляющую 16 ползуна, имеющую ползун 22, установленный с возможностью перемещения в указанной направляющей. Между коленчатым валом 14 и ползуном 22 проходит шатун 18. От ползуна 22 поршневой шток 24 проходит через промежуточную вставку 26 в цилиндр 28 к поршням 32 и 34. Цилиндр 28 содержит клапаны 36, выполненные с обеспечением протекания рабочего газа в рабочие пространства цилиндра и из них во время стадий всасывания и сжатия, входящих в цикл сжатия.
[0026] Как изображено на фиг. 2, компрессор 10 содержит герметичное при повышенном давлении уплотнение 38, проходящее из полости 42 вставки 26 в цилиндр 28. Подробный вид уплотнения 38 изображен на фиг. 3 и 4. Уплотнение 38 содержит корпус 46, имеющий сквозное отверстие 48 для поршневого штока и камеру 52, расположенную в пределах указанного корпуса и совпадающий с отверстием 48. На одном конце корпуса 46 уплотнение 38 содержит обтиратель 54 для поршневого штока, имеющий корпус 58 (фиг. 4) с дренажным каналом 56 (фиг. 3) и группу колец 62 (фиг. 4). На другом конце корпуса 46 уплотнение 38 содержит группу уплотнительных элементов 64a-64f, каждый из которых имеет группу уплотнительных колец 66 для поршневого штока вокруг сквозного отверстия 48. Как изображено на фиг. 4, через уплотнительные элементы 64 проходят соединительные стержни 68, закрепляющие элементы 64a-64f и кольца 66 на корпусе 46. При этом корпус 58 обтирателя соединен аналогичным образом с корпусом 46 посредством крепежных деталей 72, как дополнительно изображено на фиг. 4.
[0027] Как изображено на фиг. 3 и 4, между первым уплотнительным элементом 64а и вторым уплотнительным элементом 64b предусмотрено уплотнительное кольцо 74. Как описано далее, из корпуса 46, через первый уплотнительный элемент 64а, проходит проход 76 для газа в уплотнительное кольцо 74. Проход 76 оканчивается проходными отверстиями 78 в кольце 74.
[0028] На фиг. 5 и 6 подробно показан компрессор 10 с установленным в нем уплотнением 38. Уплотнение 38 проходит вокруг поршневого штока 24 и соединено со вставкой 26 резьбовыми болтами 88, проходящими через отверстия 82 в корпусе 46 и через отверстия 86 во фланце 84 первого уплотнительного элемента 64а.
[0029] Как может быть понятно из фиг. 5, компрессор 10 имеет камеру 102 внутри вставки 26. В изображенном варианте выполнения камера 102 образована внешней поверхностью уплотнения 38 и внутренней поверхностью 108 вставки 26. Камера 102 во вставке 26 и камера 52 в корпусе 46 уплотнения могут обеспечивать преимущества промежуточной вставки с двумя камерами, как описано выше. Однако, в отличие от обычных компрессоров, имеющих две камеры, образованных промежуточной вставкой, компрессор 10 может обеспечивать функциональность со сдвоенными камерами, где одна из камер выполнена внутри уплотнения 38. Этот и другие признаки, обсуждаемые далее более подробно, обеспечивают возможность легкого преобразования компрессора 10 для сжатия газов различных типов просто путем замены герметичного при повышенном давлении уплотнения.
[0030] Как изображено на фиг. 5, камера 52 может функционировать в качестве второй камеры относительно первой камеры 102, ограниченной уплотнительными элементами 64b-c и вставкой 26. Таким образом, если первая камера 102 может быть выполнена с возможностью приема рабочего газа, вытекающего из уплотнительных колец 66, вторая камера 52 может быть выполнена с возможностью воспрепятствования взаимного загрязнения смазочного материала компрессора и рабочего газа. Например, как изображено на фиг. 3, камера 52 может быть выполнена с осевой длиной 55, превышающей ход поршневого штока 24, для предотвращения, таким образом, входа какой-либо части поршневого штока 24 как в обтиратель 54, так и в уплотнительные элементы 64. Кроме этого, шток 24 может быть снабжен маслоотражателем 98, как изображено на фиг. 5, для предотвращения перемещения смазочного материала на штоке 24 к уплотнительным элементам 64.
[0031] Как изображено также на фиг. 5, вторая камера 52 герметично отделена от первой камеры 10 первым уплотнительным элементом 64а. Отметим на фиг. 5, что первый уплотнительный элемент 64а может содержать дополнительные уплотнительные кольца 66 для улучшения герметизации между камерами 102 и 52.
[0032] Как изображено на фиг. 5-7, соединители 112 на корпусе 46 и соединители 116 на вставке 26 могут быть соединены трубками 114 для удлинения различных проходов в уплотнении 38 в наружном направлении компрессора 10. Как описано выше, проход 76 для продувочного газа проходит внутри уплотнения 38 в проходные отверстия 78 в уплотнительном кольце 74. Во время работы компрессора 10 через проход 76 в первую камеру 102 может подаваться инертный продувочный газ, например азот. Как изображено на фиг. 5-7, могут быть предусмотрены другие проходы посредством трубок, проходящих между внешней стороной компрессора 10 и уплотнением 38. Например, проход 122 для смазочного материала (фиг. 7 и 9) может проходить от внешней стороны вставки 26, через полость 42, в проход (не изображен) внутри уплотнительного корпуса 46 и уплотнительных элементов 64а-е и в проходное отверстие 124 для смазочного материала в элементе 64е (фиг. 3). Данный признак обеспечивает возможность нанесения смазочного материала непосредственно на месте для уменьшения трения между элементами 64а-е и поршневым штоком 24. Аналогичным образом, пара вентиляционных проходов 126 (фиг. 7 и 9) может проходить в, по меньшей мере, одно проходное отверстие (не изображено), выполненное в первой камере 102 или во второй камере 52 соответственно. Каждый такой проход 126 может использоваться для, например, вытяжки продувочного газа, рабочего газа и/или смазочного материала в обрабатывающий контейнер (не изображен), размещенный снаружи вставки 26.
[0033] На фиг. 7-10 изображена вставка 26 компрессора 10. Как показано на фиг. 8, вставка 26 может иметь дренажный канал 118 для первой камеры 102. Вставка 26 может также иметь дренажный канал 120 для приема смазочного материала из направляющих ползуна и дренажный канал 56 в обтирателе 54 (фиг. 3). Кроме этого, вставка 26 может также иметь выход/ дренажный канал 126 уплотнительного корпуса для второй камеры 52 для удаления смазочного материала, инертного газа и протекающего рабочего газа или их смеси в безопасное место снаружи компрессора.
[0034] Как может быть понятно из фиг. 3, уплотнение 38 представляет собой единый подузел, и, следовательно, персонал может легко с ним обращаться во время установки в компрессоре 10. Это уплотнение 38 может быть выполнено как исходное оборудование или как модификация, что позволяет легко преобразовывать компрессор, первоначально выполненный с промежуточной вставкой с одной камерой, для функциональности, обеспечиваемой сдвоенными камерами.
[0035] Например, установка уплотнения 38 при модификации может включать: снятие боковой крышки 94 (фиг. 2) со вставки 26, снятие гайки 96 ползуна (фиг. 2) с поршневого штока 24, сдвиг поршневого штока 24 по направлению к цилиндру 28 и снятие существующего герметичного уплотнения (не изображено). Затем, как изображено на фиг. 5, во вставку 26 может быть вставлено уплотнение 38. В варианте выполнения изобретения, изображенном на фиг. 5, болтовые отверстия 82 уплотнительного корпуса и болтовые отверстия 86 фланца 84 выравнивают по оси с резьбовыми отверстиями 92 во вставке 26. Уплотнительное кольцо 70 и прокладка 80 взаимодействуют со вставкой 26 и цилиндром 28 соответственно. Затем резьбовые болты 88 вставляют через отверстия 82 и 86 в резьбовое сопряжение с резьбовыми отверстиями 92 во вставке 26 для закрепления на ней уплотнения 38. В других, не изображенных вариантах выполнения изобретения могут быть использованы различные средства крепления уплотнения 38 внутри компрессора 10. Например, уплотнение 38 может быть прикреплено крепежными деталями к цилиндру 28 или, как в другом примере, фланец 84 на первом уплотнительном элементе может взаимодействовать с резьбой на вставке 26. После выравнивания сквозного отверстия 48 уплотнения 38 по оси с осью 25 поршневого штока поршневой шток 24 может быть сдвинут назад через уплотнение 38 в сопряжение с ползуном 22, и гайка 96 ползуна может быть соединена со штоком 24.
[0036] Маслоотражатель 98, который является опционным компонентом, может быть выполнен в виде целого кольца или в виде разрезного кольца. При этом его установка может включать отделение корпуса 46 от уплотнительного элемента 64а и последующее крепление маслоотражателя 98 на штоке 24. В варианте выполнения изобретения, изображенном на фиг. 5, осевая длина 54 камеры 52 достаточна для предотвращения контакта маслоотражателя 98 с любым концом камеры 52 во время работы компрессора. При болтовом закреплении уплотнения на вставке 26 могут быть установлены отрезки 114 трубок, проходящие между соединителями 112 на корпусе 46 (фиг. 6) и соединителями 116 на вставке 26 (фиг. 6).
[0037] При работе уплотнительные элементы 64a-f и уплотнительные кольца 66 для поршневого штока могут препятствовать потоку рабочего газа из цилиндра 28. При этом предусмотрена возможность продувки рабочего газа, утекающего через кольца 66, вставленные в первой камере 102, инертным газом, перетекающим через первый проход 76 для газа, имеющий проходные отверстия 78, выходящие в первую камеру. Затем продувочный газ, в комбинации с рабочим газом, например, с сернистым газом, может быть выведен в специальный обрабатывающий контейнер через один из проходов 126. Кроме этого, вторая камера 52, герметично отделенная первым уплотнительным элементом 64а от первой камеры 102, может предотвращать взаимное загрязнение масла с рабочим газом, поскольку ни одна часть поршневого штока не входит ни в обтиратель 54, ни в уплотнительные элементы 66, а также потому что маслоотражатель 98 предотвращает перемещение загрязненного смазочного материала снаружи второй камеры 52. Таким образом, компрессор, имеющий промежуточную вставку с одной камерой, способен обеспечивать наличие функциональных возможностей компрессора, снабженного промежуточной вставкой с двумя камерами, и может быть преобразован для использования с опасными, коррозионными и/или токсичными газами, например с сернистым газом. Отметим, что, поскольку может использоваться исходная вставка 26, то площадь, занимаемая компрессором, и размещение соединителей 116 вставки могут оставаться неизменными при модификации компрессора 10 для обеспечения функциональности, обеспечиваемой сдвоенными камерами, что обеспечивает, таким образом, повышенное удобство и пониженные расходы.
[0038] Таким образом, в соответствии с предпочтительным вариантом изобретения, как показано на блок-схеме на фиг. 11, способ (1000) преобразования поршневого компрессора, работающего на бессернистом газе, в поршневой компрессор, работающий на сернистом газе, где указанный компрессор имеет промежуточную вставку с единичной камерой, может включать следующие этапы: установку (1002) в промежуточную вставку герметичного уплотнения, имеющего вторую камеру с осевой длиной, по меньшей мере равной ходу поршневого штока компрессора, причем указанная камера в промежуточной вставке работает в качестве первой камеры для приема рабочего газа, а камера в герметичном уплотнении работает в качестве второй камеры для предотвращения взаимного загрязнения, и соединение (1004) газопровода из промежуточной вставки с проходом для газа в указанном уплотнении, причем указанный проход имеет выход, открытый в первую камеру, когда герметичное уплотнение вставлено в промежуточную вставку.
[0039] Описанные варианты выполнения изобретения являются иллюстративными во всех его аспектах и не ограничивают изобретение. Предполагается, что все подобные изменения и модификации входят в объем правовой защиты изобретения согласно его формуле. Никакой элемент, действие или инструкция, используемые в описании, не могут считаться критическими или существенными для изобретения, если они четко не определены в качестве критического или существенного элемента, действия или инструкции. Кроме этого, указание какого-либо элемента в единственном числе означает наличие по меньшей мере одного такого элемента.