Бесконтактный компрессор с газостатическим центрированием поршня

 

Сущность: устройство предназначено для сжатия газа и может быть использовано в малорасходных поршневых компрессорах. Цилиндрическая пара компрессора выполнена в виде газостатического подвеса. В верхней части поршня установлено бесконтактное уплотнительное кольцо из антифрикционного материала с коэффициентом теплового расширения большим, чем коэффициенты теплового расширения материалов цилиндра и поршня. Кольцо выполнено неразрезным с наружным диаметром, равным или меньшем диаметра поверхности поршня, образующей с внутренней поверхностью цилиндра газостатический подвес. В поршне концентрично его наружной поверхности может быть установлена цилиндрическая цанга, рабочие лепестки которой уперты во внутреннюю поверхность уплотнительного кольца. Коэффициент теплового расширения уплотнительного кольца выбран из определенного соотношения. В результате такого выполнения уплотнения повышается надежность и экономичность компрессора. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к компрессоростроению и может быть использовано при создании высокоэкономичных, преимущественно малорасходных поршневых компрессоров, сжимающих чистые газы.

Известен бесконтактный компрессор с газостатическим центрированием поршня, содержащий цилиндропоршневую пару, выполненную в виде газостатического подвеса [1].

Известен также бесконтактный компрессор с газостатическим центрированием поршня, содержащий цилиндропоршневую пару, выполненную в виде газостатического подвеса, причем в верхней части поршня установлено уплотнительное кольцо, не входящее в контакт со стенками цилиндра [2].

Недостатком известных компрессоров является неизбежно сложная конструкция уплотнительного кольца, которое с целью адаптации к изменению диаметра цилиндра при его температурном расширении выполнено разрезным и снабжено устройствами для обеспечения бесконтактной работы в виде элементов газостатических радиальных и торцевых опор, нуждающихся в затратах сжатого газа для обеспечения работоспособности. Это обстоятельство не дает реальной возможности создавать малорасходные компрессоры в диаметром поршня 30-50 мм и менее, а между тем именно к малорасходным компрессорам чаще всего предъявляются высокие требования к чистоте сжимаемого газа (холодильная, микрокриогенная техника).

Кроме того, необходимость затрат газа на обеспечение работоспособности элементов уплотнительного кольца существенно снижает эффективность его применения как устройства для снижения потерь энергии от утечек.

Еще одним не менее важным отрицательным обстоятельством является полная неработоспособность уплотнений в известных конструкциях в период запуска компрессора, когда отсутствует сжатый газ для обеспечения газостатического подвеса элементов кольца. Это неизбежно приводит к их хаотическому движению с активным трением и возможностью заклинивания при неудачном расположении в канавке поршня.

Задачей изобретения является повышение экономичности, надежности и расширение области применения.

Поставленная задача решается тем, что в известном компрессоре уплотнительное кольцо изготовлено из антифрикционного материала, имеющего коэффициент теплового расширения (КТР) больший, чем КТР цилиндра и больший, чем КТР поршня, выполнено неразрезным, а его наружный диаметр равен или меньше диаметра поверхности поршня, образующей с внутренней поверхностью цилиндра газостатический подвес. При этом в поршне концентрично его наружной поверхности может быть установлена цилиндрическая цанга, рабочие лепестки которой уперты во внутреннюю поверхность уплотнительного кольца. КТР уплотнительного кольца α_к может быть определен из соотношения где D_ц и D_к - соответственно внутренний диаметр цилиндра и внешний диаметр кольца до запуска компрессора (в состоянии изготовления); α_ц - коэффициент теплового расширения материала цилиндра; Δt_ц,Δt_п - соответственно абсолютная разность температуры стенок цилиндра и поршня до пуска компрессора (температура окружающей среды) и после выхода на установившийся тепловой режим.

Температуры стенок цилиндра и поршня после выхода на установившийся тепловой режим могут быть определены экспериментально на этом же компрессоре без уплотнительного кольца или с разрезным кольцом из самосмазывающихся материалов, например на основе политетрафторэтилена (Ф4К15, Ф4К20 и др.), обычной конструкции.

На фиг. 1 изображено сечение цилиндропоршневой пары компрессора с внутренним (через полость поршня) подводом сжатого газа для питания газового подвеса поршня; на фиг. 2 - то же с наружным подводом газа; на фиг. 3 - конструкция цилиндропоршневой пары, в которой поршень имеет цангу для поддержки уплотнительного кольца. На фиг. 1 - 3 слева от осевой линии показано сечение цилиндропоршневой группы в исходном состоянии, справа от осевой линии - после выхода компрессора на стационарный тепловой режим.

Компрессор состоит (см. фиг. 1) из цилиндра 1, в котором с зазором 2 размещен поршень 3, имеющий полость питания 4, соединенную с камерой сжатия 5 через обратный клапан 6, размещенный в крышке 7. Полость 4 соединена с зазором 2 через дроссели 8, в корпусе поршня 3 имеется по крайней мере одна выточка 9, в которой установлено неразрезное кольцо 10, выполненное из материала, обладающего антифрикционными свойствами по отношению к материалу цилиндра 1 и имеющее КТР больший, чем материал цилиндра 1 и поршня 3. Так, например, если цилиндр 1 выполнен из чугуна, а поршень 3 из стали, то кольцо 10 может быть выполнено из бронзы. Привод возвратно-поступательного движения поршня 3 осуществляется через шток 11.

Компрессор, изображенный на фиг. 2, имеет полость питания 12, выполненную, например, в виде выточки 13 в цилиндре 1 и перекрытую гильзой 14, через отверстие 15 которой сжатый газ подается к дросселям 8, размещенным в стенках цилиндра 1.

Компрессор, изображенный на фиг. 3, имеет дополнительно цилиндрическую цангу, рабочие лепестки 16 которой уперты во внутреннюю поверхность кольца 10 и изготовлены (в свободном состоянии) концентрично наружной поверхности 17 поршня 3, образованной в данном примере гильзой 18, в которой размещены дроссели 8.

Компрессор (см. фиг. 1) работает следующим образом. При возвратно-поступательном движении поршня 3 происходит изменение давления в камере 5, в результате чего рабочее тело (газ) всасывается, сжимается и вытесняется потребителю. Кроме того, сжатый газ через клапан 6 попадает в полость 4 и истекает из нее через дроссели 8 в зазор 2, создавая тем самым несущий газовый слой, предотвращающий контакт между поршнем 3 и цилиндром 1.

В период запуска компрессора, когда тело поршня 3 и цилиндра 1 не нагрето, а в полости 4 нет давления, достаточного для центрирования поршня 3, поршень 3 под действием боковых сил, возникающих в связи с появлением перепада давления на поршне 3 и неизбежным наличием зазоров и перекосов в механизме привода, и инерционных сил, возникающих в связи с вибрацией компрессора или существующих в связи с вибрациями объекта, на котором он установлен, прижимается к поверхности цилиндра 1. В этом момент кольцо 10 не препятствует поперечным перемещениям поршня 3, так как его диаметр меньше или равен диаметру наружной поверхности поршня 3, в связи с чем поршень 3 имеет возможность контактировать с цилиндром 1 по всей своей боковой поверхности и не перекашиваться. Данное обстоятельство позволяет избежать повреждений высокоточнообработанных поверхностей поршня 3 и цилиндра 1. Кроме того, отсутствие в этот период работы компрессора существенного уплотнения поршня (уплотняющая верхняя часть сравнительно коротка) позволяет иметь достаточно большие утечки, что способствует более плавному увеличению конечного давления в камере 5 и лучшему переносу теплоты вдоль образующей цилиндра 1. Последнее обстоятельство позволяет в период запуска организовать более плавное и равномерное по длине поршня 3 и цилиндра 1 изменение теплонапряженности конструкции, не допустить значительных искажений формы зазора 2 и тем самым использовать минимально возможный зазор 2, повысив тем самым экономичность компрессора.

В дальнейшем конечное давление в камере 5 вырастает до номинального и полость 4 получает газ под давлением, необходимым для организации бесконтактной работы поршня 3 в цилиндре 1. В то же время происходит нагрев цилиндра 1, поршня 3 и крышки 7, в результате чего температура кольца 10 повышается и вследствие того, что КТР материала, из которого оно изготовлено, выше КТР материала цилиндра 1, диаметр кольца 10 увеличивается больше, чем диаметр цилиндра 1, и наружная поверхность кольца приближается к поверхности цилиндра 1, создавая таким образом нормальное кольцевое уплотнение.

В общем случае увеличение диаметра кольца 10 ограничено максимальным диаметром цилиндра 1, который он приобретает при полном прогреве, и дальнейшее увеличение диаметра кольца 10 приводит к его приработке путем износа, который происходит до тех пор, пока процесс увеличения диаметра кольца 10 не закончится. В результате приработки диаметр полностью прогретого кольца 10 оказывается меньше диаметра полностью прогретого цилиндра 1 на величину удвоенного максимального эксцентриситета, с которым поршень движется вдоль оси цилиндра.

Последнее обстоятельство послужило основанием для вывода уравнения (1), которое получено из условия максимального приближения диаметра кольца 10 к диаметру цилиндра 1 после их полного прогрева с учетом неизбежного наличия эксцентриситета положения поршня 3 в цилиндре 1. При реализации соотношения (1) процесса приработки не происходит и имеется возможность получения сразу минимально возможного зазора в кольцевом уплотнении, что весьма ценно при использовании сравнительно твердых материалов для кольца 10, т.к. в процессе приработки в этом случае может произойти заметный износ зеркала цилиндра 1, что отрицательно скажется на характеристиках газового подвеса поршня.

Работа компрессора, изображенного на фиг. 2, происходит аналогично и пояснений не требует.

Особенностью конструкции, изображенной на фиг. 3, является использование упругих сил лепестков 16 цанги для удержания кольца 10 в концентричном положении на всех стадиях работы компрессора, поскольку при регулировании производительности компрессора методом "пуск - остановка" в период остановки поршень 3 может оказаться опертым на стенку цилиндра 1, и кольцо в конструкциях, изображенных на фиг. 1 и 2, в этом случае выйдет из концентричного положения, что приведет его в процессе повторного пуска к касанию в течение некоторого времени о зеркало цилиндра 1 и соответствующему износу.

Таким образом, предложенные конструкции бесконтактного компрессора с газостатическим центрированием поршня позволяют при предельной простоте конструкции обеспечить ей высокие, близкие к максимально-возможным экономичность и надежность, существенно расширить область применения компрессора в установках, требующих малые расходы сжатого газа при высоких экономичности и надежности.

Формула изобретения

1. Бесконтактный компрессор с газостатическим центрированием поршня, содержащий цилиндропоршневую пару, выполненную в виде газостатического подвеса, причем в верхней части поршня установлено бесконтактное уплотнительное кольцо, отличающийся тем, что уплотнительное кольцо изготовлено из антифрикционного материала, имеющего коэффициент теплового расширения больший, чем коэффициент теплового расширения материала поршня, выполнено неразрезным, а его наружный диаметр равен или меньше диаметра поверхности поршня, образующей с внутренней поверхностью цилиндра газостатический подвес.

2. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что в поршне концентрично его наружной поверхности установлена цилиндрическая цанга, рабочие лопасти которой уперты во внутреннюю поверхность уплотнительного кольца.

3. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что коэффициент теплового расширения уплотнительного кольца a_к выбирается из соотношения где D_ц и D_к - соответственно внутренний диаметр цилиндра и внешний диаметр кольца при температуре окружающей среды; a_ц - коэффициент теплового расширения материала цилиндра;
Δt_ц, Δt_п- соответственно абсолютная разность температуры стенок цилиндра и поршня до пуска компрессора, когда она равна температуре окружающей среды, и после выхода на установившийся тепловой режим;
e_max - максимальный абсолютный эксцентриситет положения поршня в цилиндре.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3