Поршневой расширительно-компрессорный агрегат
Владельцы патента RU 2321803:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет" (RU)
Изобретение относится к машиностроению, а именно к машинам объемного действия, в частности к поршневым расширительно-компрессорным агрегатам, и может быть использовано в качестве детандер-компрессорного агрегата в холодильной технике, пневмотрансформатора, например в горной промышленности. Поршневой расширительно-компрессорный агрегат содержит цилиндры с поршнями, закрытые с одной из сторон крышками, механизмы газораспределения, включающие нормально открытые впускные клапаны и выхлопные окна, патрубки подвода и отвода газа. Цилиндры открытыми сторонами соосно присоединены к глухой крышке с отверстием и уплотнением для штока, соединяющего поршни. На боковых поверхностях цилиндров со стороны глухой крышки размещены самодействующие нормально закрытые впускные и выпускные клапаны. Изобретение позволяет упростить конструкцию и снизить удельную металлоемкость расширительно-компрессорного агрегата. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к машиностроению, а именно к машинам объемного действия, в частности, к поршневым расширительно-компрессорным агрегатам, и может быть использовано в качестве детандер-компрессорного агрегата в холодильной технике, пневмотрансформатора, дожимающего компрессора, например в горной промышленности в качестве источника сжатого воздуха повышенного давления для привода погрузочных машин, лебедок и др.
Известна конструкция поршневого расширительно-компрессорного агрегата - детандер-компрессорного агрегата (Расширительные машины. Под ред. К.И.Страховича. - М.-Л.: Машиностроение, 1966, с.101-108), включающего в себя цилиндры для поршневого компрессора и поршневой расширительной части агрегата (детандера) с системой принудительного газораспределения для расширительной части агрегата.
Существенным недостатком таких расширительно-компресорных агрегатов является сложность их конструкции, обусловленная наличием системы принудительного газораспределения расширительной части агрегата.
Известна другая конструкция поршневого расширительно-компрессорного агрегата (Поршневой детандер-компрессорный агрегат: Патент №2134850, м.кл. 6 F25B 9/00 / Ваняшов А.Д., Кабаков А.Н., Калекин B.C., Куликов С.П., Прилуцкий И.К.), в котором механизм газораспределения содержит нормально открытые впускные клапаны и выхлопные окна для выпуска расширившегося отработанного газа, выполненные в стенках цилиндров расширительной части агрегата поршни, крышки цилиндров, патрубки подвода и отвода газа.
Недостатками указанного расширительно-компрессорного агрегата является большая металлоемкость и сложность конструкции, состоящая в том, что для обеспечения его работоспособности и обратного поступательного движения поршня от нижней к верхней мертвой точке необходимо соединение поршня с кривошипно-шатунным механизмом, снабженным маховиком значительной массы.
Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, упрощение конструкции, снижение удельной металлоемкости расширительно-компрессорного агрегата.
Поставленная задача решена за счет того, что в расширительно-компрессорном агрегате, содержащем цилиндры с поршнями, закрытые с одной из сторон крышками, механизмы газораспределения, включающие нормально открытые впускные клапаны и выхлопные окна, патрубки подвода и отвода газа, согласно заявленному изобретению цилиндры открытыми сторонами соосно присоединены к глухой крышке с отверстием и уплотнением для штока, соединяющего поршни, а на боковых поверхностях цилиндров со стороны глухой крышки размещены самодействующие нормально закрытые впускные и выпускные клапаны.
Поршни могут быть выполнены полыми, снабжены по периметру на боковых поверхностях системой отверстий, а по торцам - самодействующими впускными клапанами, причем со стороны глухой крышки впускные клапаны выполнены нормально закрытыми, а с противоположной стороны - нормально открытыми.
Поршни и цилиндры выполнены ступенчатыми и направлены меньшими сечениями в сторону глухой крышки, а на боковых поверхностях цилиндра большего сечения дополнительно выполнены отверстия.
Цилиндры со стороны крышек могут быть дополнительно снабжены выпускным патрубком и нормально открытым выпускным клапаном.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена конструктивная схема расширительно-компрессорного агрегата; на фиг.2 приведен разрез расширительно-компрессорного агрегата с полыми поршнями; на фиг.3 показан разрез одного из вариантов выполнения нормально-открытого впускного клапана на поршне; на фиг.4 изображен разрез расширительно-компрессорного агрегата со ступенчатыми поршнями; на фиг.5 показан разрез крышки цилиндра с одним из вариантов выполнения нормально открытых впускного и выпускного клапанов.
Поршневой расширительно-компрессорный агрегат включает в себя цилиндры 1, 2, соосно присоединенные к крышке 3, поршни 4, 5 с кольцами 6, соединенные штоком 7, уплотнение штока 8, крышки 9, 10, в которых размещены запорные элементы нормально открытых самодействующих клапанов 11, 12, выхлопные окна 13, 14, присоединенные к коллекторам низкого давления 15, 16, самодействующие нормально закрытые впускные 17, 18 и выпускные 19, 20 клапаны, систему трубопроводов подвода 21 газа повышенного давления и отвода 22 газа высокого давления.
Самодействующие впускные нормально открытые клапаны 23, 24, размещенные на торце полого поршня 25, включают в себя самодействующие нормально закрытые клапаны 26, 27 со стороны штока 7, систему отверстий 28, выполненную по периметру боковой поверхности поршня.
Один из вариантов исполнения нормально открытого впускного клапана, установленного на полом поршне 25, содержит запорный элемент 29 с направляющей 30, ограничивающей перемещение запорного элемента, пружину 31, систему каналов 32 для прохода газа во внутреннюю полость поршня.
Расширительно-компрессорный агрегат со ступенчатыми цилиндрами 33, 34, включает в себя ступенчатый поршень 35, дополнительные отверстия 36 в цилиндре большего сечения.
Крышка цилиндра 9 содержит (фиг.5) нормально открытый впускной клапан 11, выпускной клапан 37 и патрубок 38 отвода газа в магистраль низкого давления.
Расширительно-компрессорный агрегат работает следующим образом. Газ повышенного давления поступает в цилиндр 2 через нормально открытый впускной клапан 12. Поршень 5 при этом находится в верхней мертвой точке, и выхлопные окна 14 перекрыты. Газ оказывает давление на поршень 5 и при его перемещении расширяется с понижением температуры и совершением внешней работы, которая расходуется на сжатие и перемещение газа в правой компрессорной части агрегата - объеме, образованном крышкой 3, противоположной стороной поршня 5 и штоком 7, выталкивание расширившегося газа через выхлопные окна 13 и обратное сжатие газа, оставшегося в расширительной части агрегата между поверхностью поршня 4 и крышкой 9. Одновременно с этим в левой компрессорной части - объеме, образованном поршнем 4, штоком 7 и крышкой 3, происходит расширение части газа, оставшегося в мертвом пространстве, и всасывание свежей порции газа через впускной клапан 17 и патрубок 21. При достижении давления газа в правой компрессорной части, несколько большего конечного давления рк, открывается нагнетательный клапан 20, и сжатый газ через патрубок 22 подается потребителю. По мере приближения поршня 4 к верхней мертвой точке давление в цилиндре растет за счет сжатия остаточного газа. При достижении величины давления в цилиндре, равной давлению на входе в левую расширительную часть агрегата, запорный элемент клапана 11 открывается, при этом закрываются клапаны 17 и 20 в обеих компрессорных частях агрегата. Далее аналогичный цикл повторяется в цилиндре 1.
Для обеспечения бесконтактного сопряжения поршни - цилиндры при движении полого поршня 25 от нижней мертвой точки к верхней в процессе обратного сжатия в расширительной части агрегата происходит наполнение газом внутренней полости поршня через нормально открытые впускные клапаны 23, 24 и истечение газа через отверстия 28 в зазор между поршнем и цилиндром с образованием «газовой подушки», при обратном ходе поршня 25 наполнение внутренней полости поршня происходит в процессах сжатия и нагнетания в компрессорной части агрегата через самодействующие клапаны 26, 27.
Для исключения возможных ударов поршня о крышку 3 при подходе к нижней мертвой точке ступенчатый поршень 35 удерживается «газовой подушкой», образующейся в месте перехода цилиндра с большего сечения на меньшее, после закрытия выступом поршня большего сечения дополнительных отверстий 36.
Предложенное техническое решение позволяет упростить конструкцию и снизить удельную металлоемкость расширительно-компрессорного агрегата.
1. Поршневой расширительно-компрессорный агрегат, содержащий цилиндры с поршнями, закрытые с одной из сторон крышками, механизмы газораспределения, включающие нормально открытые впускные клапаны и выхлопные окна, патрубки подвода и отвода газа, отличающийся тем, что цилиндры открытыми сторонами соосно присоединены к глухой крышке с отверстием и уплотнением для штока, соединяющего поршни, а на боковых поверхностях цилиндров со стороны глухой крышки размещены самодействующие нормально закрытые впускные и выпускные клапаны.
2. Поршневой расширительно-компрессорный агрегат по п.1, отличающийся тем, что поршни выполнены полыми и по периметру на боковых поверхностях снабжены системой отверстий и самодействующими впускными клапанами, причем со стороны крепления штока к поршню впускные клапаны выполнены нормально закрытыми, а с противоположной стороны - нормально открытыми.
3. Поршневой расширительно-компрессорный агрегат по п.1, отличающийся тем, что поршни и цилиндры выполнены ступенчатыми и направлены меньшими сечениями в сторону глухой крышки, а на боковых поверхностях цилиндра большего сечения дополнительно выполнены отверстия.
4. Поршневой расширительно-компрессорный агрегат по п.1, отличающийся тем, что цилиндры со стороны крышек дополнительно снабжены выпускным патрубком и нормально открытым выпускным клапаном.
