Реферат по возможной модернизации поршневых компрессоров

1
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ................................................................................................................... 3
Возможные варианты модернизации поршневого компрессора ....................... 5
Заключение ............................................................................................................ 12
Список литературы ............................................................................................... 15
2
ВВЕДЕНИЕ
Машины, предназначенные для сжатия и перемещения газов,
называются компрессорами [1]. Они являются основным технологическим
оборудованием и непосредственно участвуют в изготовлении продукта в
химической,
нефтехимической,
газовой
промышленности
и
т.
д.
Компрессоры используются в производстве минеральных удобрений,
пластмасс при добыче, транспортировке и переработке природного газа,
нефти, искусственных жидких топлив и в других производствах (включаются
в цепь агрегатов и машин, выполняющих технологический процесс, а также
устанавливаются в отдельных помещениях, называемых цехами компрессии).
В машиностроении, горнодобывающей, угольной, пищевой и других
отраслях промышленности используются компрессоры для сжатия воздуха,
который служит энергоносителем для привода всевозможных машин и
инструментов, облегчающих труд человека, т. е. для механизации
трудоемких процессов.
Все существующие компрессоры, предназначенные для сжатия газов,
можно разделить на два класса. Один из них включает машины, которые
производят сжатие путем сообщения газу большой скорости и последующего
преобразования кинетической энергии потока в работу сжатия и нагнетания
газа.
Основными
разновидностями
машин
этого
класса
являются
центробежные и осевые компрессоры.
Другой
класс охватывает поршневые
компрессоры объемного
действия, подающие газ из пространства низкого давления в пространство
более высокого давления путем периодически повторяющихся увеличений и
уменьшений объема рабочей полости цилиндра. При увеличении объема
рабочая
полость
сообщается
со
всасывающим
трубопроводом
или
непосредственно с атмосферой и производит всасывание газа. При
уменьшении объема замкнутый в ней газ подвергается сжатию и затем
вытесняется в нагнетательный трубопровод. К классу поршневых относятся
компрессоры, у которых поршень совершает внутри цилиндра возвратно3
поступательное
движение,
также
все
разновидности
ротационных
компрессоров с поршнем, вращающимся в цилиндре.
Опыт
эксплуатации
поршевых
компрессоров
показывает,
что
надежность их работы, сроки проведения текущих и средних ремонтов
определяются
параметрами
технического
состояния
деталей
цилиндропоршневой группы (ЦПГ), среди которых поршневые кольца (ПК) –
наиболее ответственные и быстро изнашиваемые детали [2]. В настоящее
время эксплуатируются сотни тысяч компрессоров. На протяжении многих
лет ведутся научные исследования, направленные на повышение ресурса и
улучшение ремонтопригодности ЦПГ. Для повышения эксплуатационных
характеристик, а именно ресурса работы, и улучшения ремонтопригодности
цилиндропоршневой группы двигателей необходимо создание новых
конструкций поршневых колец.
4
ВОЗМОЖНЫЕ ВАРИАНТЫ МОДЕРНИЗАЦИИ ПОРШНЕВОГО
КОМПРЕССОРА
Уплотнительное устройство поршня относится к уплотнительной
технике и может быть использовано для уплотнения поршней и механизмов
[3]. Благодаря нововведению, которое заключается в том что в канавке
поршня установлено дополнительное разрезное кольцо, расположенное в
заколечном
пространстве
концентрично
с
поршневым
кольцом
и
контактирующее своей внутренней цилиндрической окружной поверхностью
с поверхностью дна поршневой канавки, и расширитель, выполненный в
виде
набора
спиральных
пружин, периодически
расположенных
по
окружности между поршневым и дополнительным кольцами. Достигается то,
что уплотнительное устройство поршня обладает повышенной прочностью
рабочего компрессионного кольца, за счет этого повысилась надежность
работы уплотнительного устройства поршня и его долговечность.
Уплотнительный
внутреннего
элемент
сгорания,
поршня
конкретно,
к
применим
уплотнениям
к
двигателям
надпоршневого
пространства, а также может использоваться в поршневых компрессорах
и поршневых насосах [4]. За счет того, что уплотнительный элемент
поршня состоит из разрезного кольца с износостойким покрытием, а
кольцо выполнено из легкого сплава покрытого антифрикционным
материалом. Уменьшаются износы элементов поршня (канавки под
кольца, кольца) и гильзы цилиндра, нагрузки на перемычки между
канавками.
Одновременно
соответствующих
парах
уменьшаются
трения,
что
механические
потери
приводит
повышению
к
в
экономических показателей поршневых колец.
Поршневое уплотнение применяется в двигателях, насосах и
компрессорах [5]. Изобретение обеспечивает снижение шума от работы
цилиндропоршневой группы, повышает надежность и долговечность
уплотнения, обеспечивает более высокую степень уплотнения зазора
между поршнем и цилиндром, улучшает условия притирания поршня к
5
цилиндру.
уплотнение,
Все
это
достигается
содержит
поршень
благодаря
с
тому
выполненной
что,
на
поршневое
его
боковой
поверхности канавкой и размещенным в ней уплотнительным кольцом.
Поршень снабжен не менее чем двумя канавками и дополнительно
цилиндрической проточкой, выполненной на боковой поверхности
поршня, примыкающей к его торцу. Уплотнительное кольцо выполнено
сплошным,
поверхность
кольца,
контактирующая
цилиндра,
выполнена
цилиндрической,
а
с
поверхностью
поверхность
кольца,
контактирующая с поверхностью канавок, повторяет форму последних,
при этом между внутренней поверхностью кольца и поверхностью
упомянутой цилиндрической проточки выполнен гарантированный зазор.
Уплотнительное кольцо выполнено наваркой или заливкой на поршень.
Поршневая
машина
относится
к
машиностроению
и
может
применяться главным образом в двигателях внутреннего сгорания, а также в
поршневых
компрессорах,
насосах
и
системах
гидравлики
[6].
Нововведением полезной модели является то, что в одной канавке поршня
размещен динамический усилитель компрессии и выполнен в виде двух
смежных - верхнего и нижнего компрессионных колец. Каждое кольцо с
диаметрально противоположной стороны замка выполнено с продольным
выступом, при этом выступ одного - верхнего кольца входит в замок другого
- нижнего кольца, а выступ второго - нижнего кольца входит в замок
верхнего кольца с образованием замкнутого контура. Благодаря всему
вышеперечисленному
достигается
повышение
виброакустических
характеристик поршневых машин, снижение кавитации втулок цилиндров,
Снижается износ поршневых колец и канавок, расход масла на угар.
Монолитный поршень может применятся в области уплотнительной
техники, в частности к узлам уплотнения механизмов для герметизации
кольцевого
зазора
работающих
в
между цилиндром и
условиях
поршнем в
устройствах,
возвратно-поступательного
движения,
преимущественно, для поршневых компрессоров без смазки проточной
6
части цилиндра [7]. За счет того, что поршень выполнен заодно с
манжетным уплотнением U-образного сечения. Снижаются массовые
утечки сжимаемой среды из рабочей камеры, тем самым, увеличивая
производительность поршневого компрессора. Монолитный поршень
изготавливается преимущественно методом токарной обработки и может
быть выполнен из фторопластового композита, например из материала
Ф4К15М5.
Монолитный
порешь
способен
работать
в
диапазоне
температур от -60 до +250°С. Одна уплотнительная манжета способна
выдержать перепад давления Р=0,4МПа.
Поршневое
маслосъемное
кольцо
относится
к
области
машиностроения (двигателестроения) и может быть использовано в
различных отраслях народного хозяйства, эксплуатирующих двигатели
внутреннего
сгорания
(д.в.с.)
[8].
Она
обладает
повышенной
долговечностью и безотказностью поршневых колец, уменьшенным
расходом масла. Все перечисленное достигается тем, что маслосъемное
кольцо выполнено из двух сегмент-колец, которые раздвигаются осевым
расширителем. Один сегмент-кольца изготавливается из латуни (или
других цветных металлов), другой сегмент-кольца изготавливается из
стали или чугуна.
Газовое уплотнение цилиндропоршневой группы применимо к
машиностроению, а именно к двигателестроению и касается конструкции
составных компрессионных поршневых колец двигателя внутреннего
сгорания
[9].
Благодаря
тому,
что
газовое
уплотнение
цилиндропоршневой группы содержит основное компрессионное и
дополнительное разрезное кольцо, которые установлены в канавке
поршня между верхним и нижним ее торцами, а дополнительное кольцо
выполнено ]-образного сечения и имеет верхнюю и нижнюю кольцевые
полки. Получают увеличение ресурса ЦПГ; снижение прорыва газов в
7
картер; исключение насосного действия верхнего компрессионного
кольца и уменьшение расхода моторного масла.
Составное поршневое кольцо является изобретением, которое
относится к устройствам уплотнения в двигателях внутреннего сгорания
или компрессорах, а именно к конструкции компрессионных поршневых
колец [10]. Особенностью изобретения является конструкция поршневых
колец, а именно: поршневое кольцо состоит из трех колец со
смещенными друг относительно друга по окружности стыками. Первое из
этих колец расположено коаксиально второму кольцу, при этом внешний
диаметр первого кольца равен внутреннему диаметру второго кольца, а
третье кольцо контактирует одной своей плоской поверхностью с
соответствующими плоскими поверхностями первого и второго колец,
причем его внешний диаметр равен внешнему. Благодаря такой
конструкции
достигается
повышение
уплотнительных
свойств
компрессионного кольца и увеличение ресурса цилиндропоршневой
группы. Изготовление
поршневых колец такой конструкции можно
осуществлять на существующих технологических производствах по тому
же технологическому принципу, что и изготовление используемых в
настоящее время поршневых колец.
Уплотнение поршня может найти применение в поршневых
объёмных машинах с высоким давлением [11]. Её нововведением
является то, что в поршневом компрессоре, содержащем уплотнение
поршень-цилиндр, в поршне выполнена канавка, в которой размещено
уплотнение, состоящее из опорного кольца и манжеты, имеющей
металлический упругий сердечник, соединённый с опорным кольцом и
выполненной из самосмазывающегося материала, например фторопласта.
Вместе с тем к опорному кольцу и цилиндру подключены выводы
источника низкого напряжения. Достоинством полезной модели является
то, что получается более надежное уплотнение системы поршень-цилиндр
и упрощается конструкция.
8
Уплотнение пары цилиндр-поршень компрессора применимо к
уплотнительной технике и может быть использована в конструкциях
уплотнительных элементов газовых компрессоров, а именно в области пары
цилиндр-поршень [12]. Она обладает надежным уплотнение, которое
предотвращает пропуск газа в корпус компрессора благодаря тому, что
уплотнения пары цилиндр-поршень, состоит из уплотнительных колец
прямоугольного сечения, которые выполнены разрезными и из полиамида.
Уплотнение цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего
сгорания относится к уплотнениям цилиндропоршневой группы (ЦПГ)
двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и поршневым компрессорам [13].
Его суть в том, что уплотнение ЦПГ состоит из двухкомпрессонных колец
установленных в одну канавку. Верхнее и нижнее кольцо имеют рабочую
поверхность, которая находится в контакте с цилиндровой втулкой. На
верхней и нижней поверхностях каждого кольца со стороны цилиндровой
втулки выполнены скосы, заканчивающиеся в поршневой канавке, и
образующие масляную канавку. Тепловые разъемы верхнего и нижнего
кольца расположены в плоскости, проходящей через ось поршневого пальца
и ось коленчатого вала. Разъемы повернут на 180° по отношению друг к
другу. Рабочая поверхность верхнего компрессионного кольца выполнена
бочкообразной
с
образованием
угла
11-16
минут
с
поверхностью
цилиндровой втулки. Все это помогает снизить износ цилиндровой втулки и
компрессионных колец, и увеличить надежность цилиндропоршневой
группы.
Уплотнение цилиндропоршневой группы
является
моделью,
которая относится к уплотнениям цилиндропоршневой группы (ЦПГ)
двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и поршневым компрессорам [14].
Это
решение
обладает
следующими
недостатками:
отсутствуют
антинагарное свойство; возможен частичный пропуск газов между
цилиндровой втулкой и кольцом из-за неплотного прилегания их (втулкакольцо)
рабочих
поверхностей
в
9
начальный
период
«обкатки»
(приработки); возможно повреждение масляной пленки на «зеркале»
цилиндра.
Достоинствами
полезной
модели
является
увеличение
мощности двигателя на 4%, долговечности цилиндровых втулок и
поршней
в
1,2-2
Вышеперечисленные
раза,
долговечности
достоинства
уплотнения
достигаются
за
в
4-5
раз.
счет
того,
что
уплотнение ЦПГ состоит из двух компрессионных колец установленных в
одну канавку. Оба кольца выполнены со скосами на внутренней части со
стороны поршня с образованием в продольном сечении угла, вершина
которого лежит в плоскости контакта колец. На верхней и нижней
поверхностях
каждого
выполнены
скосы,
тепловые
разъемы
кольца,
со
заканчивающиеся
верхнего
и
стороны
цилиндровой
втулки,
внутри
поршневой
канавки,
нижнего
компрессионных
колец
расположены в плоскости, проходящей через ось поршневого пальца и
ось коленчатого вала двигателя, и смещены по окружности на 180
градусов по отношению друг к другу.
Поршневое уплотнение предполагается применять в
области
машиностроения, а именно к уплотнениям систем поршень-цилиндр и
может быть использованной в двигателях внутреннего сгорания и
компрессорах [15]. Благодаря тому, что уплотнение ЦПГ содержит одно
разрезное кольцо, установленное в поршневой канавке и контактирующее
с внутренней поверхностью цилиндра и вставку, расположенную между
концами разрезного кольца с образованием замка. Торцевые поверхности
на концах разрезного кольца размещены под углом относительно друг
друга, вставка выполнена клиновидной с клином направленным к
цилиндру, а поверхности клина контактируют с торцевыми поверхностям
кольца,
а
поршневое
уплотнение
снабжено
средством
поджима
клиновидной вставки в направлении к цилиндру. Достигается увеличение
герметизации камеры сгорания, устраняется возможность вибраций
кольца и увеличивается долговечность ЦПГ.
10
Клапан прямоточный применяется в поршневых компрессорах, как
общего,
так
и
специального
назначения,
в
частности
к
газораспределительным органам-клапанам поршневых компрессоров [16].
Данная полезная модель обладает такими достоинствами как: сниженная
аэродинамическая нагрузка; сниженный удельный расход электроэнергии
потребляемой
электродвигателем
поршневого
компрессора.
Они
обеспечиваются за счет того, что плоские места прилегания на седла клапана
к прямоугольным проточным каналам запорных органов имеющих форму
прямоугольных полос преобразуют в U-образную нишу
на его плоской
поверхности и размещают в ней U-образный жесткий запорный элемент
подпружиненный пластинчатой пружиной.
11
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основании патентного поиска установлено, что наиболее
целесообразным
решением,
которое
можно
использовать
для
модернизации поршневого компрессора является патент [7].
Предлагается монолитный поршень, который в значительной мере
снизит массовые утечки сжимаемой среды из рабочей камеры, тем самым,
увеличит производительность поршневого компрессора [7]. Монолитная
конструкция способна работать в диапазоне температур от -60 до +250°С и
высоких давлениях. Монолитный поршень может быть выполнен, например,
из фторопластовой композиции Ф4К15М5, предназначенной для работы в
условиях сухого трения, что обеспечит подачу потребителю сухого и чистого
газа.
Монолитный поршень может быть использован, как для цилиндров
простого действия (рисунок 1 a), так и для цилиндров двойного действия
(рисунок 1 b). Цилиндр простого действия 1, содержит нагнетательный
клапан 2 и всасывающий клапан 3. С цилиндром простого действия 1,
сопряжен монолитный поршень 4 с U-образными уплотнительными
манжетами 5, полостями 6 для разжатия уплотнительной манжеты 5
давлением сжимаемой среду, на конце монолитного поршня 4 предусмотрена
резьба (например метрическая "М") для соединения со штоком компрессора
7. Монолитный поршень 4 в сборе со штоком 7 устанавливается в цилиндр
простого действия 1 поршневого компрессора.
При движении монолитного поршня 4, в цилиндре простого действия
1, объем рабочей камеры 8 уменьшается, газ, поступивший через
всасывающий клапан 3, сжимается. Давление P в рабочей камере 8
увеличивается и через полость 6 воздействует на уплотнительные манжеты 5,
которые в свою очередь прижимаются к зеркалу цилиндра простого действия
1, обеспечивая плотный контакт. При достижении требуемого давления
нагнетательный клапан 2 открывается, и сжатый газ поступает к
12
потребителю. При достижении верхней мертвой точки, находящейся вблизи
клапанной плиты, монолитный поршень 4 движется в обратную сторону.
Рисунок 1 – Виды конструкций монолитного поршня:
a- Конструкция монолитного поршня для цилиндра простого действия поршневого
компрессора; b - Конструкция монолитного поршня для цилиндра двойного действия
При движении монолитного поршня 4, в цилиндре двойного действия
1’, объем рабочей камеры 8 уменьшается, газ, поступивший через
всасывающий клапан 3, сжимается. Давление P в рабочей камере 8
увеличивается и через полость 6 воздействует на уплотнительные манжеты 5,
которые в свою очередь прижимаются к зеркалу цилиндра 1, обеспечивая
плотный контакт. В это время, в рабочей камере 8’ образуется разряжение и
газ через всасывающий клапан 3’ поступает в рабочую камеру 8’. При
достижении требуемого давления нагнетательный клапан 2 открывается, и
сжатый газ поступает к потребителю. При достижении верхней мертвой
точки, находящейся вблизи клапанной плиты, монолитный поршень 4
движется в обратную сторону. В цилиндре двойного действия 1’, объем
рабочей камеры 8’ уменьшается, газ, поступивший через всасывающий
13
клапан 3’, сжимается. Давление P в рабочей камере 8’ увеличивается и через
полость 6 воздействует на уплотнительные манжеты 5, которые в свою
очередь прижимаются к зеркалу цилиндра двойного действия 1’, обеспечивая
плотный контакт. При достижении требуемого давления нагнетательный
клапан 2' открывается, и сжатый газ поступает к потребителю. При
достижении верхней мертвой точки, находящейся вблизи клапанной плит.
Заявленное техническое решение относится к области уплотнительной
техники, в частности к узлам уплотнения механизмов для герметизации
кольцевого зазора между цилиндром и поршнем в устройствах, работающих
в условиях возвратно поступательного движения, преимущественно, для
поршневых компрессоров без смазки проточной части цилиндра.
14
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Френкель М. И. Поршневые компрессоры. Теория, конструкции и
основы проектирования. Л.: Изд – во «Машиностроение». 1969 – 744 с.
2. Линьков Е.Д., Виноградов А.Н. Повышение эксплуатационных
характеристик цилиндропоршневой группы заменой стандартных поршневых
колец на составное поршневое кольцо с пружинным вкладышем. – Известия
ТулГУ. Технические науки – 2015. Вып. 5. Ч. 1 – 132-135 с.
3. Пат. 2
416 750
Российская Федерация, МПК F16J 9/06.
Уплотнительное устройство поршня/ В.Н. Горшков и др.; заявители и
патентообладатели
учреждение
Федеральное
высшего
государственный
государственное
профессионального
аграрный
университет
образовательное
образования
"Саратовский
имени
Вавилова.
Н.И.
–
№ 2010103231/06; заявл. 01.02.2010; опубл. 20.04.2011, Бюл. № 11.
4. Пат.
2 119 108 Российская Федерация, МПК F16J 9/00.
Уплотнительный элемент поршня/ И.В. Севрук и др.; заявители и
патентообладатели И.В. Севрук., Б.А. Вурье – № 96111859/06; заявл.
11.06.1996; опубл. 20.09.1998, Бюл. № 26.
5. Пат. 2 312 263 Российская Федерация, МПК F16J 9/00. Поршневое
уплотнение/
С.Н.
Калинин
и
др.;
заявители
и
патентообладатели
С.Н. Калинин – № 2003128452/06; заявл. 20.03.2005; опубл. 10.12.2007, Бюл.
№ 34.
6. Пат.
184 645 Российская Федерация, МПК F16J 9/00. Поршневая
машина/ М. А. Минасян и др.; заявитель и патентообладатель Российская
Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и
торговли Российской Федерации – № 2018128625; заявл. 03.08.2018; опубл.
01.11.2018, Бюл. № 31.
7. Пат. 209 535 Российская Федерация, МПК F04B 39/12. Монолитный
поршень / С.С. Бусаров и др.; заявитель и патентообладатель Федеральное
государственное
бюджетное
образовательное
15
учреждение
высшего
образования
"Омский
государственный
технический
университет"
(ОмГТУ) – № 2021127504; заявл. 20.09.2021; опубл. 17.03.2022, Бюл. № 8.
8. Пат. 123 873 Российская Федерация, МПК F16J 9/26. Поршневое
маслосъемное
кольцо
патентообладатель
(варианты)/
Г.И.
Федеральное
Суранов;
заявитель
государственное
и
бюджетное
образовательное учреждение высшего профессионального образования
"Ухтинский
государственный
технический
университет"
–
№ 2012119310/28; заявл. 11.05.2012; опубл. 10.01.2012, Бюл. № 1.
9.
Пат. 2 750 742 Российская Федерация, МПК F16J 5/00.
Газоуплотнение цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего
сгорания/ М.М. Абрамишвили; заявитель и патентообладатель М.М.
Абрамишвили – № 2020122719; заявл. 09.07.2020; опубл. 02.07.2021, Бюл.
№ 19.
10. Пат. 2 436 984 Российская Федерация, МПК F02F 5/00. Составное
поршневое
кольцо
(варианты)/
И.Ю.
Мельниченко;
заявитель
и
патентообладатель И.Ю. Мельниченко – № 2010135205/06; заявл. 24.08.2010;
опубл. 24.08.2010, Бюл. № 35.
11. Пат. 198 747 Российская Федерация, МПК F16J 9/00. Уплотнение
поршня с повышенным ресурсом работы/ В.Л. Юша и др.; заявитель и
патентообладатель
образовательное
Федеральное
учреждение
государственное
высшего
бюджетное
образования
"Омский
государственный технический университет" (ОмГТУ) – № 2020109697;
заявл. 05.03.2020; опубл. 27.07.2020, Бюл. № 21.
12. Пат. 162 386 Российская Федерация, МПК F16J 9/00. Уплотнение
пары цилиндр-поршень компрессора/ Р.Р. Кантюков и др.; заявитель и
патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "Газпром
трансгаз Казань" – № 2015155502/06; заявл. 23.12.2015; опубл. 10.06.2016,
Бюл. № 16.
13. Пат. 147 160 Российская Федерация, МПК F02F 5/00. Уплотнение
цилиндропоршневой
группы
двигателя
16
внутреннего
сгорания/
В.М.
Боровский и др.; заявители и патентообладатели В.М. Боровский и др.–
№ 2013121907/06; заявл. 13.05.2013; опубл. 27.10.2014, Бюл. № 30.
14. Пат. 111 586 Российская Федерация, МПК F02F 5/00. Уплотнение
цилиндропоршневой
группы
двигателя
внутреннего
сгорания/
В.М.
Боровский и др.; заявители и патентообладатели В.М. Боровский и др.–
№ 2011124455/06; заявл. 16.06.2011; опубл. 20.12.2011, Бюл. № 35.
15. Пат. 107835 Российская Федерация, МПК F16J 9/00. Поршневое
уплотнение/ В.М. Боровский и др.; заявители и патентообладатели В.М.
Боровский и др.– № 2011121230/28; заявл. 26.05.2011; опубл. 27.08.2011,
Бюл. № 24.
16. Пат. 96 207 Российская Федерация, МПК F16K 15/16. Клапан
прямоточный для поршневых компрессоров / С.А. Горбунов; заявитель и
патентообладатель / С.А. Горбунов – № 2010110747/22; заявл. 22.03.2010;
опубл. 20.07.2010, Бюл. № 20.
17