СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ГАЗОВ
METHOD OF INCREASING GAS PRESSURE

Изобретение относится к области компрессоростроения и может быть использовано при создании поршневых многоступенчатых компрессоров для химической промышленности, автогазонаполнительных компрессорных станций, криогенной техники и др.
Известен способ работы многоступенчатого компрессора, в котором полости с сжимаемым газом разграничены от полости картера, сообщенной с атмосферой (Френкель М.И., Поршневые компрессоры. Л.: Ленинградское отделение издательства «Машиностроение», 1969 г., с. 65). Указанное разграничение осуществляют при помощи сальников, установленных на штоках, связывающих крейцкопфы с поршнями. В таких компрессорах возможна установка двух полостей сжатия в одном ряду. Как правило, в одной из них процесс сжатия протекает во время поступательного хода крейцкопфа, а во второй - во время возвратного хода. Соответственно, поршневая сила, действующая с одной стороны, частично компенсируется силой, действующей с другой стороны, в результате чего суммарная поршневая сила, действующая на коленчатый вал, значительно уменьшается. Вместе с этим, расположение двух полостей сжатия в одном ряду уменьшает габариты и массу компрессора. Исходя из этих преимуществ такие компрессоры широко применяются.
Недостатками таких компрессоров являются необходимость наличия высокоточных штоков с поверхностью высокой твердости и специальных устройств, уплотняющих эти штоки и разграничивающих среду с рабочим газом и воздушную среду в картере, а также необходимость установки крейцкопфов и шатунов в каждом ряду. Все это усложняет устройство и увеличивает его себестоимость.
Также широко известен способ, реализованный в многоступенчатом компрессоре и принятый за наиболее близкий аналог к заявляемому решению, заключающийся в том, что картер наполняют рабочим газом под давлением, равным давлению всасывания первой ступени (Пластинин П.И. Поршневые комперссоры. Том 2. Основы проектирования. Конструкции. 3-е изд., перераб. И доп. - М.: КолосС, 2008, с. 558). При этом вал герметизируют сальником торцевого типа с масляным затвором. В таких компрессорах картер сообщают с пространством, в котором находится газ, всасываемый первой ступенью. В результате этого, газ, перетекший через поршневые уплотнения, подается на всасывание компрессора и вновь сжимается. Соответственно, исключается необходимость в использовании специальных высокоточных штоков с сальниковыми уплотнениями и в установке крейцкопфов в каждом ряду. Также в компрессорах, в которых используется приведенный способ, на первую ступень и часто на вторую не устанавливают крейцкопф. В конечном итоге, конструкция компрессора получается более простой и дешевой.
Недостатком данного способа является необходимость наличия множества рядов, практически равного количеству цилиндро-поршневых групп, также наличие относительно высоких значений поршневых сил, воздействующих на коленчатый вал, что снижает надежность его работы и приводит к необходимости его усиления, что в целом усложняет конструкцию всего кривошипно-шатунного механизма.
Задачей настоящего изобретения является осуществление многоступенчатого сжатия газов при использовании более простой и дешевой конструкции компрессора.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение надежности работы коленчатого вала компрессора за счет создания силы давления газов, действующей на днища поршней со стороны картера, которая в значительной мере или полностью компенсирует силы, действующие на поршни со стороны полостей сжатия.
Технический результат достигается способом работы многоступенчатого компрессора, заключающимся в том, что газ подают в цилиндр первой ступени компрессора, сжимают его до давления, необходимого для его нагнетания из первой ступени, и подают в герметизированный картер, затем после выравнивания давлений газов в цилиндре первой ступени и картере газ, сжатый в первой ступени компрессора, подают на всасывание в цилиндр второй ступени компрессора, который после сжатия и нагнетания из второй ступени подают в третью ступень, поршень которой устанавливают на поршень первой ступени и после сжатия газа в третьей ступени подают потребителю.
В предложенном способе новым является то, что картер, герметизированный от наружной среды, сообщен именно с линией нагнетания первой ступени компрессора, а не напрямую с пространством, в котором находится газ, подаваемый в цилиндр первой ступени компрессора, как это имело место у наиболее близкого аналога. В результате в картере поддерживается давление, равное давлению нагнетания этой первой ступени. Относительно высокое давление газа в картере создает «газовую подпорку» - силу давления газов, действующую на днища поршней со стороны картера и в значительной мере или полностью компенсирующую силы, действующие на поршни со стороны полостей сжатия. Значительное снижение поршневых сил дает возможность установки поршней двух или более ступеней в одном ряду без превышения номинальной нагрузки на коленвал. Во многих случаях появляется возможность отказа от крейцкопфов и использования бескрейкопфных дифференциальных поршней, так как функцию направляющей для поршней меньшего диаметра могут выполнять поршни большего диаметра, поршневая сила которых частично или полностью скомпенсирована за счет высокого давления в картере. В итоге, использование данного способа значительно упрощает устройство компрессора и снижает его себестоимость.
Изобретение поясняется чертежом, на котором приведена схема одного из вариантов многоступенчатого компрессора, работающего по предложенному способу.
Компрессор содержит коленчатый вал 1 и шатуны 2, цилиндр 3 первой ступени, всасывающий клапан 4 первой ступени, поршень 5 первой ступени, нагнетательный клапан 6 первой ступени, картер 7, канал 8, соединенный с картером 7, теплообменник 9, поршень 10 второй ступени, всасывающий клапан 11 второй ступени, цилиндр 12 второй ступени, нагнетательный клапан 13 второй ступени, теплообменник 14, поршень 15 третьей ступени, всасывающий клапан 16 третьей ступени, цилиндр 17 третьей ступени, нагнетательный клапан третьей ступени, трубы 19, соединяющие между собой ступени компрессора, торцевое уплотнение 20.
С помощью приведенной конструкции компрессора заявляемый способ реализуется следующим образом. Данный трехступенчатый компрессор имеет поршни, которые совершают возвратно-поступательное движение в цилиндрах за счет вращательного движения коленчатого вала 1 и шатунов 2, подвижно соединенных с валом и поршнями. В цилиндр 3 первой ступени компрессора подается газ через всасывающий клапан 4. Цилиндр 3 первой ступени заполняется газом по мере возвратного хода поршня 5 этой ступени. В начале поступательного хода поршня 5 всасывающий клапан 4 закрывается, и поршень 5 по мере поступательного хода сжимает газ до давления, необходимого для его нагнетания из этой ступени. Далее сжатый газ поступает через нагнетательный клапан 6. В начале работы компрессора, пока картер 7 не заполнен сжатым в первой ступени компрессора газом, газ поступает через канал 8 в картер 7 и одновременно, пройдя теплообменник 9, на всасывание второй ступени. После заполнения картера 7 сжатым в первой ступени газом (практически через пару секунд от начала работы компрессора) газ поступает только на всасывание второй ступени. По мере возвратного хода поршня 10 второй ступени через всасывающий клапан 11 полость цилиндра 12 второй ступени заполняется газом, сжатым в первой ступени. При поступательном ходе поршня 10 газ, заполнивший цилиндр 12, сжимается и впоследствии нагнетается через нагнетательный клапан 13. Далее этот газ охлаждается в теплообменнике 14 и поступает на всасывание третьей ступени. В процессе возвратного хода поршня 15 третьей ступени, через всасывающий клапан 16 этой ступени, цилиндр 17 третьей ступени заполняется газом, сжатым во второй ступени. В начале поступательного хода поршня 15 всасывающий клапан 16 закрывается. Поршень 15 совершает поступательное движение, сжимая далее газ. По мере достижения конечного давления газ нагнетается через нагнетательный клапан 18 к потребителю. Ступени компрессора соединены между собой трубами 19. Вал компрессора герметизирован торцевым уплотнением 20.
При данном способе давление газа в картере компрессора равно давлению нагнетания первой ступени. Соответственно, на днище поршня первой ступени постоянно действует сила давления, равная силе давления, действующей на торец поршня в конце процесса сжатия и в процессе нагнетания. Поскольку эти силы действуют в противоположных направлениях, они полностью компенсируют друг друга, и поршневая сила, действующая на коленчатый вал от поршня первой ступени 5, равна нулю. Это обстоятельство позволяет устанавливать поршень третьей ступени 15 непосредственно на поршень первой ступени 5 без собственного крейцкопфа и шатуна. Коленчатый вал и шатун в этом случае нагружаются только поршневой силой третьей ступени. Сила давления газа в картере действует также на днище поршня второй ступени 10, чем достигается весьма значительное снижение поршневой силы второй ступени, то есть силы, действующей на коленчатый вал, что повышает надежность его работы без усложнения конструкции компрессора.
В результате использования предлагаемого способа также снижается число рядов, уменьшаются размеры коленчатого вала, картера и целиком компрессора, сокращается количество деталей (например, не применяются отдельный крейцкопф и шатун для третьей ступени) и т.д. В итоге упрощается устройство компрессора и снижается его себестоимость.