Поршневая машина с герметичным уплотнением
PISTON MACHINE WITH AIRTIGHT SEAL

Изобретение относится к области энергетических машин и касается поршневых компрессоров с бесконтактным поршневым уплотнением, к которым предъявляются жесткие требования по герметичности рабочей полости цилиндра, и предназначенных, например, для сжатия редких газов.
Известны поршневые машины, содержащие цилиндр с размещенным в ней с зазором поршнем, соединенным с механизмом привода, всасывающий и нагнетательные клапаны, соединенные соответственно с источником и потребителем газа (см., например, АС №703708, СССР. «Поршень», М кл. F16J 1/00, опубл. 15.12.1979, бюл. №46).
Известна также поршневая машина, содержащая цилиндр с размещенным в ней с зазором поршнем, соединенным с механизмом привода, всасывающий и нагнетательные клапаны, соединенные соответственно с источником и потребителем газа, причем в пределах длины зазора между поршнем и цилиндром имеется герметизирующее устройство (см. АС №676752, СССР. «Поршневой компрессор», М. кл. F04B 31/00, опубл. 30.07.1979, бюл. №28).
Недостатком известных конструкций является неполная герметизация рабочей полости цилиндра, в связи с чем при сжатии редких газов неизбежна их потеря.
Технической задачей изобретения является полная герметизация рабочей полости компрессора.
Указанная задача решается тем, что в поршневой машине, содержащей цилиндр с размещенным в нем с зазором поршнем, соединенным с механизмом привода, всасывающий и нагнетательные клапаны, соединенные соответственно с источником и потребителем газа, причем в пределах длины зазора между поршнем и цилиндром имеется герметизирующее устройство, согласно изобретению поршень выполнен дифференциальным с меньшим диаметром в верхней уплотняющей части и большим диаметром в нижней направляющей часта, а цилиндр имеет ответные сопряженные поверхности, с образованием содержащей жидкость герметизирующей полости между наружной цилиндрической поверхностью поршня и внутренней цилиндрической поверхностью цилиндра.
При нахождении поршня в нижней мертвой точке минимальный объем V герметизирующей полости может определяться уравнением:
h
где D и d - соответственно диаметр поршня и нижней направляющей и верхней уплотняющей части, S - ход поршня, l - длина верхней уплотняющей части, выступающей над герметизирующей полостью, δ - радиальный зазор между верхней уплотняющей частью поршня и сопрягающейся с ней поверхностью цилиндра. При этом герметизирующая полость может быть соединена отверстием с резервным бачком, наполненным жидкостью, при нахождении поршня в нижней мертвой точке.
Герметизирующая полость может быть образована эластичной перегородкой  формы, концы которой имеют утолщения, вставленные в выточки поршня и цилиндра и защемленные втулками, одна из которых запрессована в верхнюю часть цилиндра, а другая напрессована на верхнюю уплотняющую часть поршня.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 в упрощенном виде изображена поршневая машина с герметизирующей полостью, заполненной жидкостью, и с резервным бачком, который также заполнен жидкостью.
На фиг. 2 показана эта же конструкция при положении поршня в нижней мертвой точке (НМТ).
На фиг. 3 - она же в положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ).
На фиг. 4 в упрощенном виде показана конструкция поршневой машины с герметизирующей перегородкой  формы.
На фиг. 5 и 6 показана эта же конструкция при положении поршня в ВМТ и в НМТ.
Поршневая машина (фиг. 1) содержит цилиндр 1, размещенный в нем с зазором поршень 2, соединенный с механизмом привода возвратно-поступательного движения через поршневой палец 3 и шатун 4, всасывающий 5 и нагнетательный 6 клапаны, соединенные соответственно с источником и потребителем газа через линию всасывания 7 и линию нагнетания 8, рабочую полость 9.
Поршень 2 выполнен дифференциальным с меньшим диаметром d в верхней уплотняющей части 10 (см. также фиг. 2) и большим диаметром D в нижней направляющей части 11, а цилиндр имеет ответные сопряженные поверхности. Между верхней частью 10 поршня 2 и сопряженной с ней частью цилиндра 1 имеется радиальный зазор δ. Ход поршня 2 между ВМТ и НМТ составляет величину Sh.
Герметизирующее устройство, находящееся в пределах длины зазора между поршнем 2 и цилиндром 1, выполнено в виде содержащей жидкость герметизирующей полости 12 между наружной цилиндрической поверхностью уплотняющей части 10 поршня 2 и внутренней цилиндрической поверхностью цилиндра в его нижней части 13.
Герметизирующая полость 12 соединена отверстием 14 с резервным бачком 15, наполненным жидкостью, при нахождении поршня в нижней мертвой точке (фиг. 2). Отверстие 14 представляет собой узкий капилляр, по которому жидкость из бачка 15 может перетекать в полость 12. Бачок 15 снабжен прозрачным окном 16 для наблюдения за уровнем находящейся в нем жидкости и крышкой-сапуном 17 для доливки при необходимости жидкости и обеспечения поступления воздуха в полость бачка 14 при расходе находящейся в нем жидкости.
Цилиндр 1 установлен на картере 18, в котором размещены механизм привода движения поршня 2 (условно не показан) и смазочное масло.
Поршень 2 в его нижней части 11 сопряжен с нижней частью 13 цилиндра 1 с минимально технологически возможным гарантированным зазором (посадка «движение»).
Поршневая машина, в которой герметизирующая полость 12 образована эластичной перегородкой 19  формы, показана на фиг. 4. Концы перегородки 19 имеют утолщения 20 и 21, которые вставлены в кольцевые выточки 22 и 23 поршня 2 и цилиндра 1. Эти концы защемлены втулками 24 и 25. Втулка 24 запрессована в верхнюю часть цилиндра 1, а втулка 25 напрессована на верхнюю уплотняющую часть 10 поршня 2.
Поршневая машина работает следующим образом (фиг. 1-3).
При возвратно-поступательном движении поршня 2, когда поршень идет вниз (фиг. 2), газ всасывается из линии всасывания 7 через клапан 5 в рабочую полость 9 (клапан 6 при этом закрыт), а при ходе поршня 2 вверх (фиг. 3) - сжимается в этой полости и нагнетается потребителю через клапан 6 (клапан 5 при этом закрыт) и линию нагнетания 8.
При ходе поршня 2 вниз (фиг. 2) объем полости 12 увеличивается, в ней образуется сильное разрежение в связи с практически несжимаемостью находящейся в ней жидкости, и эта жидкость «отсасывается» из зазора 6 и опускается из него в полость 12. Разрежение в полости 12 намного превышает разрежение в полости 9, где происходит процесс всасывания газа.
При приближении поршня 2 к положению НМТ (это положение и изображено на фиг. 2), когда скорость поршня стремится к нулю, разрежение в полости 12 падает. В этот момент происходит соединение полости бачка 15 с полостью 12 через отверстие-капилляр 14, и некоторое, очень малое количество жидкости перетекает из бачка 15 в полость 12.
При ходе поршня 2 вверх (фиг. 3), отверстие 14 отсекается от полости 12, и начинается сжатие жидкости в этой полости. Одновременно происходит сжатие газа в полости 9, и поэтому давление в полости 12, которая соединена с полостью 9 через зазор 6, становится близким к давлению в полости 9. При этом возникает разность давлений между давлением в полости 12 и давлением под поршнем 2 в полости картера 18, где давление среды близко к давлению всасывания. Под действием этого перепада давления жидкость в незначительном количестве просачивается через зазор между нижней частью 11 поршня 2 и нижней частью 13 цилиндра 1. Впоследствии при ходе поршня 2 вниз, как это описано выше (фиг. 2), эти утечки компенсируются расходом из бачка 15 в полость 12 через отверстие-капилляр 14.
К концу хода поршня 2 вверх, вытесняющаяся из полости 12 жидкость занимает весь зазор δ, и фактически объем этого зазора не влияет на производительность машины.
Для того, чтобы весь зазор δ оказался заполненным жидкостью к концу хода поршня 2 вверх, из полости 12 должна быть вытеснена жидкость в объеме V, который можно определить по формуле (см. также фиг. 2):
В то же время, фактически вытесненный объем жидкости из полости 12 можно определить по формуле:
То есть, справедливо соотношение для определения минимального объема полости 12, обеспечивающего заполнение зазора δ к концу хода поршня 2 вверх:
Поршневая машина с эластичной перегородкой 19  формы работает следующим образом (фиг. 4-6).
Рабочие процессы, протекающие в полости 9, происходят аналогично вышеописанным.
При ходе поршня 2 вверх (фиг. 5), конец эластичной перегородки 19, защемленный в верхней части 10 поршня 2 втулкой 25, перемещается вверх вслед за поршнем 2, и перегородка 19 как бы «прокатывается» вверх, объем полости 12 уменьшается, и жидкость из нее поднимается вверх, заполняя зазор δ.
При ходе поршня 2 вниз (фиг. 6), перегородка 19 опускается вслед за поршнем 2, объем полости 12 растет, и под действием образовавшегося в ней разрежения, жидкость «отсасывается» из зазора δ, опускаясь вслед за перегородкой 19.
Наличие жидкости в полости 12, образованной перегородкой 19, позволяет полностью герметизировать полость 9, т.к. ни один эластомер, из которого может быть изготовлена перегородка 19, не обладает стопроцентной газонепроницаемостью. Это особенно важно при сжатии таких газов, как гелий или водород.
Кроме того, жидкость предотвращает «высушивание» и последующие за ним растрескивание и разрушение эластомеров, которое происходит при длительном их контакте с осушенными газами.
Таким образом, оба рассмотренных варианта выполнения поршневой машины обеспечивают полную герметичность поршневого уплотнения без трения поршня о стенки цилиндра в зоне рабочей камеры, в связи с чем следует считать техническую задачу изобретения полностью выполненной.