Компрессор с бесконтактным уплотнением для сжатия чистых газов

 

Использование: в омпрессоростроении. Сущность изобретения состоит в том, что седло нагнетательного клапана и его запорный элемент выполнены в виде газостатического подпятника, питание к которому подается из полости, в которой давление во время посадки запорного элемента на седло превышается давление нагнетания. Полость питания соединяется с рабочей поверхностью седла клапана, являющейся неподвижной частью газостатического подпятника, через ограничители расхода и может быть соединена с камерой сжатия цилиндра через регулятор расхода, выполненный в виде дросселирующего элемента лабиринтного уплотнения, обратного самодействующего клапана или в виде полости с переменным объемом, образующейся в цикле нагнетания и расширения рабочего тела. 6 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение касается поршневых компрессоров, применяемых в основном для сжатия чистых газов в холодильной, криогенной технике, пищевой, фармацевтической промышленности, приборостроении и точном машиностроении.

Известны компрессоры с бесконтактным уплотнением, содержащие цилиндр с установленным в нем с зазором поршнем, полость нагнетания и полость всасывания с самодействующими клапанами [1] Известен также компрессор с бесконтактным уплотнением для сжатия чистых газов, содержащий цилиндр с установленным в нем с зазором поршнем с образованием полости сжатия, полость нагнетания и полость всасывания, клапанную плиту со всасывающим и нагнетательным клапанами, имеющими подвижные запорные органы [2] Недостатком известных конструкций является их невысокий ресурс работы и низкая экономичность. Первый аспект связан с отсутствием в чистых сжимаемых газах смазывающих веществ, что отрицательно сказывается на ресурсе работы клапанов при "сухом" взаимодействии запорных органов с поверхностью седла. И таким образом ресурс работы компрессора ограничивается в основном ресурсом работы клапанной группы. Особенно при этом страдают нагнетательные клапаны, т. к. они работают в очень тяжелых условиях по теплонапряженности и поэтому сравнительно быстро выходят из строя. Попытки увеличить ресурс работы нагнетательного клапана за счет увеличения сечения запорного органа приводят к увеличению его массы, из-за чего возрастает энергия удара запорного элемента о поверхность седла и вследствие этого снова уменьшается ресурс работы. В связи с изложенным приходится ограничивать ход запорного элемента очень малыми величинами, что увеличивает сопротивление клапана потоку нагнетаемого газа, и, как следствие к снижению экономичности компрессора (второй аспект проблемы).

Задачей изобретения является повышение ресурса работы компрессора и увеличение его экономичности.

Поставленная задача может быть решена за счет выполнения части клапанной плиты в виде неподвижной части газостатического подпятника, рабочий зазор которого образуется непосредственно под поверхностью подвижного запорного органа нагнетательного клапана и питание к которому подается через ограничители расхода под давлением, большим чем давление нагнетания компрессора. Газостатический подпятник может иметь собственную полость питания, которая соединена с полостью сжатия цилиндра и с рабочим зазором подпятника через ограничители расхода. Газостатический подпятник может быть выполнен в виде элемента седла нагнетательного клапана и содержать по крайней мере одну втулку, один из горцев которой служит седлом клапана, имеющую проточку, образующую при сборке седла полость питания подпятника. Ограничители расхода подпятника могут быть образованы путем соединения наружной шероховатой поверхности втулки при запрессовке ее в отверстие клапанной плиты. Ограничители расхода, соединяющие полость питания подпятника с камерой сжатия, могут быть выполнены в виде лабиринтного уплотнения с наклоном лабиринтов в сторону полости питания подпятника. В полости питания последнего может быть установлен обратный самодействующий клапан. Поршень может быть снабжен выступом, образующим с отверстием клапанной плиты при подходе поршня к верхней мертвой точке дополнительный цилиндр, камера которого соединена с ограничителями расхода подпятника.

На фиг. 1 изображен фрагмент сечения компрессора; на фиг. 2 увеличение изображение нагнетательного клапана с седлом в вид двух концентричных втулок с полостью питания подпятника; на фиг. 3 индикаторные диаграммы полости сжатия цилиндра и полости питания подпятника по конструкции, изображенной на фиг. 1,2; на фиг. 4 фрагмент верхней части цилиндра с нагнетательным клапаном, в котором полость питания подпятника соединена с камерой сжатия цилиндра через ограничители расхода, выполненные в виде лабиринтного уплотнения; на фиг. 5 осевое сечение компрессора, в котором подпятник клапана получает питание из дополнительной полости, образованной выступом на поршне и глухим отверстием в клапанной плите; на фиг. 6 нагнетательный клапан с подпятником, полость питания которого отсечена от полости сжатия цилиндра обратным клапаном; на фиг. 7 его запорный орган; на фиг. 8 индикаторные давления в полости сжатия цилиндра и в полости питания подпятника по вариантам на фиг. 5,6.

Компрессор состоит (фиг. 1,2) из цилиндра 1, в котором с зазором 2 совершает возвратно-поступательное перемещение поршень 3 и который содержит полости всасывания 4 с обратным клапаном 5 и полость нагнетания 6 с обратным нагнетательным клапаном, содержащим пружину 7, ограничитель подъема 8, запорный орган 9 и седло 10, образованное двумя концентричными втулками 11 и 12, причем втулка 11 имеет проточку 13, являющуюся полостью питания газостатического подпятника, образованного втулками 11, 12, запорным органом 9 и ограничителями расхода 14 и 15, выполненными в данном примере в виде пазов малого сечения. Подпятник запрессован в клапанную плиту 16. Поршень 1, цилиндр 2 и клапанная плита 16 образуют камеру сжатия 17. Для равномерного распределения газа по периметру подпятника пазы 14 соединены микроканавкой 18.

На фиг. 3 обозначены: P давление, ϕ угол поворота коленчатого вала от верхней мертвой точки, P_вс давление всасывания, P_н - давление нагнетания, P_п1 давление в полости питания 13 в конструкции компрессора, изображенного на фиг. 1.

На фиг. 5 показано осевое сечение компрессора, в котором точное направление поршня 3 вдоль оси цилиндра 1 организовано за счет использования газостатического центрирования, для чего поршень 3 снабжен полостью 19, соединенной с камерой сжатия 3 через обратный клапан 20, и дроссельными отверстиями 21, расположенными по окружности поршня 3, с помощью которых в зазоре 2 создается несущий газовый слой, центрирующий поршень 3. Кроме того, поршень 3 содержит выступ 22, а в клапанной плите 16 выполнено отверстие 23, образующее с выступом 22 при подходе поршня 3 к верхней мертвой точке дополнительный цилиндр 24, камера которого соединена с полостью 13 через отверстие 25. Полость 13 изолирована от камеры сжатия 17 выступом втулки 12.

На фиг. 6 показано сечение клапанной плиты 16 в зоне нагнетательного клапана, причем в данной конструкции полость 13 питания подпятника отделена от камеры сжатия 17 обратным клапаном 26, выполненным в данном примере в виде перфорированной защемленной по внешнему периметру пластины (фиг. 7). При открытии клапана 26 полость 13 соединяется с камерой сжатия 17 через отверстия 27.

На фиг. 8 обозначены (см. также обозначения на фиг. 3): P_п2 - давление питания в полости 13 для конструкции, изображенной на фиг. 5, P_п3 то же при использовании конструкции, изображенной на фиг.6.

Компрессор работает следующим образом (фиг. 1 3). В процессе всасывания газ из полости 4 через клапан 5 попадает в камеру 17. В процессе сжатия давление в камере 17 достигает давления нагнетания (P_н) и далее в связи с инерционной задержкой подъема запорного органа 9 и ограниченной пропускной способностью зазора между ним и седлом 10 давление продолжает сначала расти (пока скорость поршня 3 еще велика), а затем уменьшается к концу процесса нагнетания до давления нагнетания (P_н). В процессе сжатия давление в полости 13 (P_п1) растет с задержкой, что вызвано наличием ограничителя расхода 15, и поэтому не достигает максимальной величины. Поскольку в процессе нагнетания запорный орган 9 находится в верхнем положении прижатый к ограничителю 8, то зазор между ним и седлом 10 достаточно велик, и давление в полости 13 после достижения некоторой максимальной величины начинает уменьшаться, достигая к концу процесса нагнетания в связи с наличием ограничителей расхода 14 и 15 величины, несколько превышающей давление в камере 17. Далее в камере 17 начинается падение давления (поршень 3 идет вниз, происходит расширение газа из мертвого пространства). При этом запорный орган под действием пружины 7 и перепада давления на нем движется вниз по направлению к седлу 10, а из полости 13 через ограничители расхода 14 и 15 продолжается истечение газа соответственно в сторону поверхности седла 10 и в сторону камеры 17. Когда запорный орган 9 приближается к седлу 10, между ним и седлом 10 возникает за счет разности давлений в камере 13 и полости 6, несущей газовый слой, т.е. проявляется действие газостатического подпятника, препятствующее резкому соударению запорного органа 9 с седлом 10. После посадки запорного органа 9 на седло 10 расход газа из полости 13 уменьшается и давление в ней начинает падать не столь резко. Затем цикл повторяется.

Наличие полости 13 и ограничителей расхода 14, 15 организуют цикл изменения давления питания подпятника, сходный по отношению к изменению давления в полости 17 с явлением запаздывания сигнала по фазе в электронных устройствах, что позволяет иметь в полости 13 давление выше давления нагнетания во время посадки запорного органа 9 и тем самым обеспечить работу подпятника в нужный момент.

Для клапанов малого диаметра может возникнуть проблема изготовления ограничителей расхода для питания подпятника. В этом случае ограничители расхода могут быть изготовлены путем прессового соединения гладкой и шероховатой поверхности или двух шероховатых поверхностей. При этом между выступами шероховатостей образуются капилляры, ограничивающие течение газа. Этот вариант показан на фиг. 4 для ограничителей расхода 14.

Для клапанов большого диаметра можно рекомендовать выполнение ограничителей расхода 15, соединяющих полость 13 с камерой 17, в виде лабиринтного уплотнения с направлением лабиринтных выступов в сторону камеры 13 (фиг. 4). При этом сопротивление ограничителя расхода протеканию газа становится неодинаковым в сторону полости 13 газ течем гораздо легче, чем в сторону камеры 17. Это усиливает эффект задержки давления в полости 13 и эффект ее наполнения, что способствует созданию более мощного газового слоя в подпятнике во время посадки запорного элемента 9 на седло 10, и дополнительно уменьшает скорость посадки.

Эффективность работы газостатического подпятника значительно усиливается в конструкции, изображенной на фиг. 5. Здесь в начале середине процесса нагнетания выступ 22 входит в отверстие 23, отсекая таким образом полость 13 от полости 17, и продолжает сжимать в образовавшемся цилиндре 24 газ до давления значительно большего, чем давление в полости 6. Именно это давление через отверстие 25 передается в полость 13. Далее выступ 22 проходит отверстие 25 и продолжает сжимать газ в цилиндре 24, поддерживая за счет утечек через зазор между выступом 22 и стенками отверстия 23 давление в полости 13. И только в положении, очень близком к положению верхней мертвой точки, давление в полости 13 начинает медленно падать, т.к. расход через ограничители 13 при полностью открытом еще седле 10 начинает превышать поступление газа из цилиндра 24. При движении поршня 3 вниз запорный орган 9, опускаясь на седло 10, встречает мощный газовый слой подпятника, распределенный по поверхности седла 10, в результате чего скорость посадки будет близка к нулю. Этому способствует удержание давления в полости 13 при движении поршня 3 вниз, т.к. в течение некоторого времени выступ 22 сдерживает утечку газа из полости 13 в камеру 17, перекрывая отверстие 25.

Конструкция, изображенная на фиг.6 сочетает в себе простоту, присущую компрессору, изображенному на фиг.1, и эффективность компрессора, изображенного на фиг. 5. Особенность ее работы заключается в том, что полость 13 является по существу ресивером, имеющим очень малый, ограниченный щелью 14, расход, и в то же время значительно меньшее сопротивление притоку газа через клапан 26 и отсутствие истечения газа из полости 13 в сторону камеры 17, в результате чего в полости 13 поддерживается давление, которое по крайней мере во время посадки запорного органа 9 на седло 10, практически равно максимальному давлению в камере 17.

Предложенные конструктивные варианты компрессора позволяют существенно снизить ударные нагрузки на нагнетательный клапан, что дает возможность уменьшить сечение запорного органа и тем самым за счет снижения инерционных нагрузок снизить потери на нагнетании, увеличить таким образом экономичность компрессора и ресурс его работы.

Формула изобретения

1. Компрессор с бесконтактным уплотнением для сжатия чистых газов, содержащий цилиндр с установленным в нем с зазором поршнем с образованием полости сжатия, полость нагнетания и полость всасывания, клапанную плиту со всасывающим и нагнетательным клапанами, имеющими подвижные запорные органы, отличающийся тем, что часть клапанной плиты выполнена в виде неподвижной части газостатического подпятника, рабочий зазор которого образуется непосредственно под поверхностью подвижного запорного органа нагнетательного клапана и питание к которому подается через ограничители расхода под давлением большим, чем давление нагнетания компрессора.

2. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что газостатический подпятник имеет полость питания, которая соединена с полостью сжатия цилиндра и с рабочим зазором газостатического подпятника через ограничители расхода.

3. Компрессор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что газостатический подпятник выполнен в виде элемента седла нагнетательного клапана и содержит по крайней мере одну втулку, один из торцев которой служит седлом клапана, имеющую проточку, образующую при сборке седла полость питания газостатического подпятника.

4. Компрессор по пп.1 и 3, отличающийся тем, что ограничители расхода образованы путем соединения наружной шероховатой поверхности втулки при запрессовке ее в отверстие клапанной плиты.

5. Компрессор по пп.1 и 3, отличающийся тем, что ограничители расхода, соединяющие полость питания подпятника с камерой сжатия, выполнен в виде лабиринтного уплотнения с наклоном лабиринтов в сторону полости питания подпятника.

6. Компрессор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в полости питания подпятника установлен обратный самодействующий клапан.

7. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что поршень снабжен выступом, образующим при подходе к верхней мертвой точке с отверстием клапанной плиты вспомогательный цилиндр, камера которого соединена с ограничителями расхода подпятника.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8