БЕСКОНТАКТНЫЙ КОМПРЕССОР

БЕСКОНТАКТНЫЙ КОМПРЕССОР


RU (11) 2098662 (13) C1

(51) 6 F04B25/00, F04B35/00 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 26.12.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 95114243/06 
(22) Дата подачи заявки: 1995.08.08 
(45) Опубликовано: 1997.12.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: 1. SU, авторское свидетельство, 1682624, кл. F 04 B 25/00, 1991. 2. JP, заявка, 60-233379, кл. F 04 B 35/00, 1985. 
(71) Заявитель(и): Омский государственный технический университет 
(72) Автор(ы): Болштянский А.П.; Щерба В.Е. 
(73) Патентообладатель(и): Омский государственный технический университет 

(54) БЕСКОНТАКТНЫЙ КОМПРЕССОР 

Использование: в компрессоростроении. Сущность изобретения: в компрессоре, имеющем цилиндр, кривошипно-ползунный механизм привода с приводным валом, имеющим эксцентрик и поршень с бесконтактным уплотнением, установлен дополнительный приводной вал с эксцентриком, вращающимся со скоростью основного приводного вала, но в противоположную сторону, причем радиусы обоих эксцентриков равны между собой, оси валов параллельный друг другу или совпадают друг с другом и пересекают ось цилиндра под прямым углом, дополнительный приводной вал может быть соединен с основным через паразитную шестерню, оба приводных вала имеют противовесы, которые могут быть совмещены с шестернями, установленными на этих валах. 5 з.п. ф-лы, 5 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к компрессоростроению и может быть использовано при создании поршневых компрессоров, к которым предъявляются жесткие требования по чистоте сжимаемого газа, ресурсу работы и отсутствию вибраций.

Известны компрессоры, содержащие по крайней мере один цилиндр с установленным в нем поршнем, имеющим направляющую и уплотняющую бесконтактную части [1]

Известен также компрессор, имеющий по крайней мере один цилиндр с всасывающими и нагнетательными клапанами и поршень, имеющий направляющую и бесконтактную уплотняющую части и соединенный с кривошипно-ползунным механизмом привода, содержащим приводной вал, соединенный с двигателем, и размещенный на нем эксцентрично оси вала ведущий палец [2]

Недостатком известных конструкций является их низкая экономичность и невысокий ресурс работы, что связано прежде всего с наличием значительных боковых усилий на поршне, что приводит к потере мощности и быстрому износу при использовании в качестве направляющей поршня ползуна, снабженного самосмазывающимися материалами, или при выполнении направляющей поршня в виде газостатического подвеса к большим затратам энергии на центрирование поршня. Кроме того, в известных конструкциях не удается полностью избавиться от вибрации, связанной с наличием неуравновешенных полностью инерционных нагрузок даже при использовании противовесов на приводном валу, что приводит к ускоренному износу направляющей поршня при использовании самосмазывающихся материалов и к дополнительному расходу газа на центрирование при выполнении направляющей поршня в виде газостатического подвеса. Вибрация компрессора также отрицательно сказывается на его возможности использования в непосредственной близости от человека, что приводит к необходимости его удаления и удорожает общую стоимость компрессорной установки.

Задачей изобретения является снижение вибрации компрессора, повышение его экономичности и ресурс работы.

Поставленная задача решается тем, что в компрессоре, содержащем по крайней мере один цилиндр с нагнетательными и всасывающими клапанами и поршень, имеющий направляющую и бесконтактную уплотняющую части и соединенный с кривошипно-ползунным механизмом привода, содержащим приводной вал, соединенный с двигателем, и размещенный на нем эксцентрично оси вала ведущий палец, установлен дополнительный приводной вал с ведущим пальцем, причем эксцентриситеты обоих пальцев равны между собой, оси обоих приводных валов пересекают ось цилиндра под прямым углом и параллельны друг другу, а оба ведущих пальца находятся относительно друг друга в противофазе по угле поворота. Оси основного и дополнительного приводных валов могут совпадать друг с другом, дополнительный приводной вал может быть соединен со своим двигателем, направление вращения которого противоположно направлению вращения основного приводного вала и равно ему по угловой скорости, на основном и дополнительном валах могут быть закреплены шестерни, соединенные друг с другом через паразитную шестерню, и которые могут иметь окна, расположение которых совпадает с расположением ведущих пальцев, дополнительный и приводной валы могут содержать противовесы, расположенные один напротив другого.

На фиг. 1 изображено поперечное сечение компрессора с двумя приводными двигателями: на фиг. 2 его продольное сечение: на фиг. 3 поперечное сечение компрессора, оба приводных вала которого имеют жестко посаженные шестерни, соединенные паразитной шестерней: на фиг. 4 продольное сечение компрессора с газостатическим центрированием поршней и приводными валами, оси которых смещены одна относительно другой вдоль оси цилиндров; на фиг. 5 - компрессор, который может использоваться преимущественно при создании миниатюрных машин.

Компрессор состоит (фиг. 1 и 2) из цилиндра 1, в котором с зазором 2 размещен поршень 3, имеющий направляющую 4 и бесконтактную уплотняющую 5 части. Поршень 3 имеет паз 6, в котором размещены условно ведущий 7 и условно ведомый 8 пальцы, эксцентрично установленные на приводном 9 и дополнительном 10 валах, оси которых совпадают друг с другом, перпендикулярны оси цилиндра 1 и вращаются с одинаковой скоростью в противоположных направлениях от двигателей 11 и 12. Приводной 9 и дополнительный 10 валы снабжены противовесами 13 и 14, расположенными как и пальцы 7, 8 напротив друг друга (в противофазе). Клапаны 15 и 16 служат соответственно для всасывания и нагнетания газа из рабочей полости 17 цилиндра 1.

На фиг. 3 изображено поперечное сечение компрессора с жестко закрепленными шестернями 18 и 19 соответственно на ведущем и ведомом приводных валах, связанных между собой паразитной шестерней 20, которая установлена на подшипнике 21. Шариковая направляющая 22 служит для удержания поршня 3 от покачивания, которое может возникнуть из-за момента сил трения. Шестерни 18 и 190 имеют окна 23 и 24, которые образуют противовесы совместно с массой шестерен, расположенные на одной стороне с пальцами 7,8.

На фиг. 4 оси ведомого 10 и ведущего 9 валов смещены один относительно другого, что дает возможность разместить опорные поверхности пальцев 7 и 8 практически точно по оси цилиндра 1 и избавиться от момента сил трения, покачивающих поршень вокруг оси цилиндра (фиг. 1). При этом возникает момент от сил трения пальцев в пазах 25 и 26, который компенсируется несущей способностью газового подвеса, образованного за счет полости питания 27, дросселей 28 и клапана 29, соединяющего полость 17 с полостью 25. В данном примере компрессор имеет два цилиндра, расположенных на одной оси, и два поршня, соединенные штоком 30, в котором и расположены пазы 25, 26. Сечение штока показано тонкой заштрихованной линией.

В микрорасходном компрессоре, конструкция которого изображена на фиг. 5, показано, как можно передать возвратно-поступательное движение миниатюрному поршню с помощью ползунов 31, установленных на пальцах 7, 8 с возможностью вращения, и направляющих 32, неподвижно установленных на штоке 30.

Компрессор работает следующим образом (фиг. 1 и 2). При синхронном и противоположно направленном вращении валов 9 и 10 пальцы 7 и 8 совершают встречное орбитальное движение вокруг оси цилиндра 1 и, воздействуя на поверхности паза 6, придают поршню 3 возвратно-поступательное движение. При этом объем полости 17 изменяется от максимума до минимума, что при наличии клапанов 15 и 16 приводит к всасыванию газа в полость 17, его сжатию и нагнетанию потребителю. Бесконтактная работа уплотнения 5 в данном примере обеспечивается наличием направляющей части 4 поршня 3.

Поскольку двигатели 11 и 12 подбираются с близкими характеристиками по крутящему моменту и коэффициенту скольжения (последнее существенно для асинхронных двигателей), а эксцентриситеты обоих пальцев 7 и 8 равны между собой, то усилия F2 от пальца 7 и F1 от пальца 8 равны между собой и не создают крутящего момента, опрокидывающего поршень и прижимающего направляющую часть 4 к стенке цилиндра 1. Сумма сил F1 и F2 равно поршневой силе Fп, возникающей от перепада давления на поршне.

При использовании данного механизма движения законы перемещения противовесов 13 и 14 и поршня 3 вдоль оси цилиндра 1 одинаковы, в связи с чем соответствующий подбор масс противовесов 13, 14 обеспечивает равенство нулю суммы проекций сил инерции противовесов на ось цилиндра (Fи1 и Fи2 и силы инерции поршня Fип.

Сумма проекций сил трения от пальца 7 (Fт2) и от пальца 8 (Fт1) на вертикальную ось равна нулю, но, в то же время, эти силы создают крутящий момент относительно оси цилиндра, направление которого изменяется через каждые 180 градусов поворота валов 9, 10, что приводит к безопасному для конструкции покачиванию поршня вокруг своей оси и не создает боковых усилий, прижимающих поршень к стенке цилиндра. Величина этого момента зависит от силы трения пальцев 7, 8 о стенки паза 6 и от расстояния между поверхностями контакта пальцев и паза 6. Силу трения можно практически свести к нулю при использовании подшипников качения, установленных на пальцах 7, 8 (для сравнительно крупных компрессоров). Если же этого по конструктивным соображениям не удается сделать, а покачивание поршня нежелательно, то целесообразно установить на поршне направляющую качения 22 (фиг. 3), одна часть которой неподвижно установлена на поршне 3, а другая на цилиндре 1.

Сумма проекций сил инерции Fи1 и Fи2 всегда уравновешивается проекцией силы инерции поршня Fип, однако эти силы создают крутящий момент, аналогичный крутящему моменту сил трения пальцев и приводящий к возникновению неуравновешенности компрессора относительно оси цилиндра. Однако колебания компрессора относительно оси цилиндра не приводят к появлению сил инерции, прижимающих поршень 3 к стенке цилиндра 1.

В конструкции, изображенной на фиг. 3, показано, как с помощью синхронизирующих шестерен 18, 19, 20 можно организовать синхронное противоположно направленное вращение валов 9, 10 с приводом от одного двигателя. Здесь же дан вариант использования шестерен 18 и 19 в качестве противовесов, для чего в них напротив пальцев 7 и 8 выполнены облегчающие окна 23 и 24.

На фиг. 4 показано, как можно избавиться от колебаний поршня вокруг оси цилиндра под действием момента от сил трения пальцев в пазу путем разнесения этого паза на два поз. 25 и 26. В этой конструкции контакт пальцев 7 и 8 с телом поршня осуществляется в плоскости, в которой лежит ось цилиндра. В данном случае расстояние между пазами 25 и 26 может быть выполнено чрезвычайно малым, а опорные поверхности поршней 3 (их в данном примере два) могут быть достаточно далеко разнесены, чтобы реакция в опорах поршней была как можно меньше. В данном примере опорные поверхности поршней выполнены в виде газостатических подвесов, полости питания 27 которых через клапаны 29 соединяются во время процесса сжатия с камерой 27, в результате чего полость 27 во время работы компрессора оказывается запитана давлением газа, который, истекая через дроссели 28, создает вокруг поршня в зазоре 2 несущий газовый слой, обладающий достаточной несущей способностью, чтобы удержать поршни 3 от касания о стенки цилиндра под действием сил веса поршней и под действием момента сил трения пальцев 7, 8 о стенки пазов 25, 26. Как уже отмечалось ранее, эти силы трения могут быть сведены практически к нулю при использовании трения качения в сопряжении пальцев 7 и 8 и пазов 25 и 26. В этом случае преимущество конструкции, изображенной на фиг. 3, по сравнению с изображенной на фиг. 1, состоит в основном в существенном уменьшении поперечного сечения компрессора.

Работа компрессора, изображенного на фиг. 5, пояснений не требует. По существу он является симбиозом конструкций, изображенных на фиг. 3 и 4.

Таким образом, в описанных выше конструкциях бесконтактных компрессоров, практически полностью отсутствуют боковые усилия, действующие на опорные поверхности поршней под воздействием поршневых сил, возникающих от перепада давления газа на поршне, и сил инерции, возникающих от неуравновешивания основных узлов компрессора.

Это обстоятельство позволяет значительно продлить ресурс работы компрессора в связи с отсутствием износа направляющей поршня, существенно повысить КПД за счет отсутствия сил трения при контактном направлении поршня и за счет снижения требуемого расхода газа на центрирование при использовании газостатического подвеса поршня.

Отсутствие вибрации также повышает качество компрессора, его конкурентоспособность по сравнению с другими конструкциями, дает возможность располагать компрессор в непосредственной близости от рабочего места и таким образом снизить затраты на перемещение газа к месту его потребления, что также увеличивает КПД компрессорной установки, в составе которой работает компрессор.

Особенно ценные качества имеет заявляемая конструкция для компрессоров с газостатическим центрированием поршня, так как на основе математического моделирования таких компрессоров, проведенных авторами, выяснено, что на работоспособность таких машин и их экономичность огромное влияние оказывает наличие вибраций с амплитудой, направленной в сторону действующих боковых нагрузок от механизма привода.

Предложенное техническое решение позволяет создавать конструкции таких компрессоров, которые по своим экономическим параметрам существенно превысят используемые в настоящее время компрессоры с кольцами из самосмазывающихся материалов, нуждающиеся в сложных устройствах для очистки газа от соединений фтора, выделяющегося при износе политетрафторэтилена, являющегося основным материалом для создания самосмазывающихся композиций. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. Бесконтактный компрессор, содержащий по крайней мере один цилиндр с нагнетательными и всасывающими клапанами и поршень, имеющий направляющую и бесконтактную уплотняющую части и соединенный с кривошипно-ползунным механизмом привода, содержащим приводной вал, соединенный с двигателем, и размещенный на нем эксцентрично оси вала ведущий палец, отличающийся тем, что компрессор снабжен дополнительным приводным валом с ведущим пальцем, причем эксцентриситеты обоих пальцев равны между собой, оси обоих приводных валов пересекают ось цилиндра под прямым углом и параллельны друг другу, а оба ведущих пальца находятся один относительно другого в противофазе по углу поворота.

2. Компрессор по п. 1, отличающийся тем, что оси основного и дополнительного приводного валов совпадают друг с другом.

3. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что дополнительный привод вал соединен со своим двигателем, направление вращения которого противоположно направлению вращения основного приводного вала и равно ему по угловой скорости.

4. Компрессор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что на основном и дополнительном валах жестко закреплены шестерни, соединенные друг с другом через паразитную шестерню.

5. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что основной и дополнительный приводной валы снабжены противовесами, расположенными один напротив другого.

6. Компрессор по пп.1 и 4, отличающийся тем, что обе шестерни, установленные на основном и дополнительном валах, снабжены окнами, расположение которых совпадает с расположением ведущих пальцев.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал
Насосы и компрессорное оборудование






СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+центробежный -насос".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "насос" будут найдены слова "насосы", "насосом" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("насос!").



Рейтинг@Mail.ru