RU2722116C1 - Method of piston two-stage compressor operation and device for implementation thereof - Google Patents

Abstract

FIELD: machine building.SUBSTANCE: disclosed method of operation consists in use of liquid column for gas compression in second stage, wherein liquid pressure is created in under piston cavity of first stage. Compressor comprises drive shaft (1) and crankcase (2) with a slash-crank crank drive mechanism consisting of crank (3), con-rod (4), pin (5) and cross-head (6). First-stage cylinder (7) is installed on crankcase (2), comprises piston (8), which divides cylinder (7) into two parts, above-piston cavity (9) is working, and under-piston cavity (12) is filled with liquid and is connected to lower part cylinder (13) of the second stage, having working cavity (14), through high-pressure flexible hose (15). Second stage cylinder (13) is fixed on crankcase (2) by its upper part via hinge (16) and post (17). Cylinders are equipped with self-acting suction (18), (19) and pressure (20), (21) valves and are interconnected by heat exchanger (22). Valve (18) is connected to low pressure gas source, valve (21) is connected to high pressure gas consumer. In reciprocating motion of piston (8) gas is compressed in cylinder (7) of first stage and supplied to cylinder (13) of second stage, where pressure is compressed in cavity (14) by liquid coming from under piston cavity (12) of first stage during piston stroke (8) downwards. Compressor weight and dimensions are reduced, possibility to increase second stage injection pressure.EFFECT: invention relates to piston machines and can be used in making compressors, which require high compactness and reliability when compressing gases to high pressures.11 cl, 11 dwg

Description

Изобретение относится к области поршневых машин и может использоваться при создании компрессоров, к которым предъявляются требования высокой компактности и надежности при сжатии газов до высоких давлений.The invention relates to the field of reciprocating machines and can be used to create compressors, which are required to be highly compact and reliable in compressing gases to high pressures.

Широко известен способ работы поршневого двухступенчатого компрессора, заключающийся во всасывании газа при движении поршня в цилиндре первой ступени, его сжатии и нагнетании в цилиндр второй ступени во время увеличения ее объема с последующим сжатием газа в этом объеме и его нагнетании потребителю, (см., например, книгу «Поршневые компрессоры» информационного бюллетеня «Компрессоры и пневматика», автор Д. Краснов, ООО «Аиргрупп», www. fiak.ru, стр. 9, рис. 3, а также АС СССР № 1555525, F 04 B 25/00, 1990 г. «Многоступенчатый компрессор», АС СССР № 1332071, F 04 B 25/00, 1987 г. «Буферная емкость поршневого двухступенчатого компрессора», патент РФ № 121013. 2012 г. «Компрессор поршневой двухступенчатый двухрядный с прямоугольным расположением цилиндров», патент РФ № 138522, 2014 г. «Компрессор поршневой w-образный двухступенчатый», патент РФ № 138732, 2013 г. «Компрессор поршневой оппозитный четырехрядный двухступенчатый», патент Евразийского патентного ведомства № 0144623, F 04 B 25/00, 2010 г. «Многоступенчатый компрессор», книгу Михайлов А.К., Ворошилов В.П. Компрессорные машины. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 288 с., с. 202, рис. 7.1, книгу Френкель М.И.. Поршневые компрессоры, - Л.: Машиностроение, 1969, стр. 487, рис. IX.16, книгу Фотин Б.С., Пирумов И.Б., Прилуцкий И.К., Пластинин П.И. Поршневые компрессоры. – Л.: Машиностроение, 1987. – 372 с., рис. 12.2) и др.The method of operation of a reciprocating two-stage compressor is widely known, which consists in sucking gas when the piston moves in the cylinder of the first stage, compressing it and pumping it into the cylinder of the second stage while increasing its volume, followed by compression of the gas in this volume and pumping it to the consumer (see, for example , the book “Reciprocating Compressors” of the newsletter “Compressors and Pneumatics”, by D. Krasnov, Airgroup LLC, www. fiak.ru, p. 9, Fig. 3, and also the USSR AS No. 1555525, F 04 B 25 / 00, 1990 “Multistage compressor”, USSR AS No. 1332071, F 04 B 25/00, 1987 “Buffer capacity of a piston two-stage compressor”, RF patent No. 121013. 2012 “Two-stage piston compressor with a rectangular arrangement of cylinders ”, RF patent No. 138522, 2014“ Two-stage w-piston compressor ”, RF patent No. 138732, 2013“ Four-row two-stage reciprocating piston compressor ”, patent of the Eurasian Patent Office No. 0144623, F 04 B 25/0 0, 2010 “Multistage compressor”, book by Mikhailov AK, Voroshilov VP Compressor machines. - M.: Energoatomizdat, 1989 .-- 288 p., P. 202, fig. 7.1, the book Frenkel M.I. Reciprocating compressors, - L .: Engineering, 1969, p. 487, fig. IX.16, book Fotin B.S., Pirumov I.B., Prilutsky I.K., Plastinin P.I. Piston compressors. - L.: Mechanical Engineering, 1987. - 372 p., Fig. 12.2) and others.

Недостатком данного способа является ограничение общего коэффициента повышения давления ε, равного отношению давления нагнетания второй ступени к давлению всасывания первой ступени. The disadvantage of this method is the limitation of the total coefficient of pressure increase ε equal to the ratio of the discharge pressure of the second stage to the suction pressure of the first stage.

Это ограничение связано с несколькими факторами: This limitation is due to several factors:

1. Термодинамика процессов сжатия. 1. Thermodynamics of compression processes.

При сжатии газа повышается не только его давление, но и температура, что при высоких ε (более 8-10 в одной ступени) даже при хорошем охлаждении деталей цилиндропоршневой группы отрицательно влияет на ресурс работы газораспределительных органов и величину КПД, а также вызывает опасность вспышки паров смазывающих масел.When a gas is compressed, not only its pressure increases, but also the temperature, which at high ε (more than 8-10 in one stage), even with good cooling of the parts of the cylinder-piston group, negatively affects the service life of gas distribution bodies and the value of efficiency, and also causes the danger of vapor burst lubricating oils.

2. Работа уплотнений цилиндропоршневой группы.2. The work of the seals of the cylinder-piston group.

Повышение перепада давления на поршне приводит к увеличению сил трения в кольцевых уплотнениях, которые чаще всего применяются в поршневых машинах, что вызывает большие потери работы на привод компрессора и снижению его КПД. Кроме того, растут утечки сжимаемого газа, пропорциональные разности квадратов давления на уплотнении, а увеличение количества колец для их снижения усложняет конструкцию и снова – приводит к увеличению сил трения.An increase in the pressure drop across the piston leads to an increase in the friction forces in the annular seals, which are most often used in piston machines, which causes large losses of work on the compressor drive and a decrease in its efficiency. In addition, compressible gas leaks increase, which are proportional to the difference of the squared pressure on the seal, and an increase in the number of rings to reduce them complicates the design and again leads to an increase in friction forces.

3. Необходимость развитых межступенчатых и концевых охладителей.3. The need for developed interstage and end coolers.

При попытке увеличить коэффициент повышения давления в ступени производителям компрессоров приходится использовать теплообменники с развитыми поверхностями и с установкой на них дополнительных вентиляторов, использовать жидкостное охлаждение цилиндропоршневой пары, что увеличивает габариты, материалоемкость и стоимость конструкции.When trying to increase the coefficient of pressure increase in the stage, compressor manufacturers have to use heat exchangers with developed surfaces and with the installation of additional fans on them, to use liquid cooling of the cylinder-piston pair, which increases the size, material consumption and cost of the structure.

В связи с этим давление нагнетания в двухступенчатых поршневых компрессорах с воздушным охлаждением чаще всего не превышает 8-12 бар, а с жидкостным рубашечным охлаждением – 16-20 бар.In this regard, the discharge pressure in two-stage reciprocating compressors with air cooling most often does not exceed 8-12 bar, and with liquid jacket cooling - 16-20 bar.

В то же время известно, что увеличение давления газа, подводимого к исполнительным механизмам, работающим с применением сжатого газа, приводит к снижению их материалоемкости и габаритов, что снижает их стоимость, а, например, в транспортной технике - зачастую определяет саму возможность применения сжатого газа для привода управляющих, регулирующих и силовых исполнительных механизмов.At the same time, it is known that an increase in the pressure of gas supplied to actuators operating using compressed gas leads to a decrease in their material consumption and dimensions, which reduces their cost, and, for example, in transport equipment, often determines the very possibility of using compressed gas for driving control, regulatory and power actuators.

Технической задачей изобретения является снижение общих габаритов и массы поршневых двухступенчатых компрессоров с одновременным увеличением коэффициента повышения давления.An object of the invention is to reduce the overall dimensions and mass of the reciprocating two-stage compressors with a simultaneous increase in the coefficient of pressure increase.

Указанная задача решается тем, что в способе работы поршневого двухступенчатого компрессора, заключающимся во всасывании газа при движении поршня в цилиндре первой ступени, его сжатии и нагнетании в цилиндр второй ступени во время увеличения ее объема с последующим сжатием газа в этом объеме и его нагнетанию потребителю, согласно изобретению, сжатие и нагнетание газа в цилиндре второй ступени осуществляется столбом жидкости, движение и давление которой создается в подпоршневом пространстве поршнем первой ступени, при этом в общем цикле работы процесс сжатия-нагнетания первой ступени по продолжительности может быть короче процесса сжатия-нагнетания второй ступени.This problem is solved by the fact that in the method of operation of a reciprocating two-stage compressor, which consists in sucking gas when the piston moves in the cylinder of the first stage, compressing it and injecting it into the cylinder of the second stage while increasing its volume, followed by compression of the gas in this volume and pumping it to the consumer, according to the invention, the compression and injection of gas in the cylinder of the second stage is carried out by a column of liquid, the movement and pressure of which is created in the sub-piston space by the piston of the first stage, while in the general cycle of operation, the compression-injection process of the first stage can be shorter in duration than the compression-injection process of the second stage .

В поршневом двухступенчатом компрессоре, содержащем приводной вал и картер с механизмом привода, цилиндры первой и второй ступени и устройства для изменения рабочих объемов в обоих цилиндрах, согласно изобретению устройство для изменения рабочего объема первой ступени выполнено в виде поршня, делящего цилиндр на две части, причем надпоршневая полость является рабочей, а подпоршневая полость заполнена жидкостью и соединена с цилиндром второй ступени. При этом цилиндр второй ступени может быть закреплен на картере своей верхней частью через шарнир, а в нижней его части может быть установлен утяжелитель.In a piston two-stage compressor containing a drive shaft and a crankcase with a drive mechanism, cylinders of the first and second stages and devices for changing the working volumes in both cylinders, according to the invention, the device for changing the working volume of the first stage is made in the form of a piston dividing the cylinder into two parts, the supra-piston cavity is working, and the sub-piston cavity is filled with liquid and connected to the cylinder of the second stage. In this case, the cylinder of the second stage can be fixed to the crankcase with its upper part through a hinge, and a weighting agent can be installed in its lower part.

Цилиндр второй ступени может быть выполнен в виде жидкостной рубашки цилиндра первой ступени и соединен с ней через отверстия в ее нижней части, а отверстия, соединяющие низ цилиндра первой ступени с нижней частью рубашки, могут иметь ось, наклоненную к радиусу цилиндра под углом.The cylinder of the second stage can be made in the form of a liquid shirt of the cylinder of the first stage and connected to it through holes in its lower part, and the holes connecting the bottom of the cylinder of the first stage with the lower part of the shirt can have an axis inclined to the radius of the cylinder at an angle.

Подпоршневая полость, заполненная жидкостью, может быть соединена с дополнительным цилиндром, отделенным от этой полости уплотнительным подпружиненным поршнем.A piston cavity filled with liquid can be connected to an additional cylinder separated from this cavity by a spring-loaded sealing piston.

Подпоршневая полость может быть соединена с полостью картера, а механизм привода поршня первой ступени может быть выполнен в виде шатуна и поршневого пальца.The piston cavity can be connected to the crankcase, and the piston drive mechanism of the first stage can be made in the form of a connecting rod and piston pin.

Рабочая полость цилиндра второй ступени может быть заполнена ячеистой структурой, выполненной, например, в виде пакета сеток или набора пластин с отверстиями.The working cavity of the cylinder of the second stage can be filled with a cellular structure made, for example, in the form of a packet of nets or a set of plates with holes.

Подпоршневая полость первой ступени может быть соединена с заполненной жидкостью полостью картера и с цилиндром второй ступени, а механизм привода поршня первой ступени при этом может быть выполнен в виде кулачка двустороннего действия, имеющего наружную и внутреннюю эквидистантные поверхности.The piston cavity of the first stage can be connected with the fluid-filled crankcase and with the cylinder of the second stage, and the mechanism for driving the piston of the first stage can be made in the form of a double-acting cam having external and internal equidistant surfaces.

Механизм привода поршня первой ступени может быть выполнен в виде кулисы, первый конец которой шарнирно закреплен на картере на неподвижной оси, другой конец через шарнир соединен с шатуном и крейцкопфом, на котором установлен шток поршня, причем кулиса имеет паз с установленным в нем подвижным ползуном, который надет на кривошип, закрепленный на приводном валу, и подпоршневая полость первой ступени заполнена жидкостью и соединена с цилиндром второй ступени.The piston drive mechanism of the first stage can be made in the form of a link, the first end of which is pivotally mounted on the crankcase on a fixed axis, the other end is connected through a hinge to a connecting rod and crosshead on which the piston rod is mounted, and the link has a groove with a movable slide installed in it, which is worn on a crank mounted on the drive shaft, and the piston cavity of the first stage is filled with liquid and connected to the cylinder of the second stage.

Сущность изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 схематично изображено продольное сечение двухступенчатого компрессора с крейцкопфным приводом с шарнирно подвешенной второй ступенью.In FIG. 1 schematically shows a longitudinal section of a two-stage compressor with a crosshead drive with a second stage articulated.

На фиг. 2 показано сечение цилиндропоршневой группы со второй ступенью, выполненной в виде рубашки охлаждения первой ступени, а на фиг. 3 – поперечное сечение этой же цилиндропоршневой группы.In FIG. 2 shows a cross-section of a cylinder-piston group with a second stage made in the form of a cooling jacket for the first stage, and in FIG. 3 is a cross section of the same cylinder-piston group.

На фиг. 4 схематично показано продольное сечение компрессора с дополнительным цилиндром и бескрейцкопфным приводом движения поршня первой ступени.In FIG. 4 schematically shows a longitudinal section of a compressor with an additional cylinder and a bezreztskopfny drive of the movement of the piston of the first stage.

На фиг. 5 показано продольное сечение цилиндра второй ступени, заполненной ячеистой структурой.In FIG. 5 shows a longitudinal section of a second stage cylinder filled with a cellular structure.

На фиг. 6 показано схематично продольное сечение компрессора с кулачковым приводом движения поршня первой ступени, а на фиг. 7-10 – схема работы кулачка.In FIG. 6 shows a schematic longitudinal section of a compressor with a cam drive of the movement of the piston of the first stage, and FIG. 7-10 - diagram of the cam.

На фиг. 11 показано продольное сечение компрессора с кулисным приводом.In FIG. 11 shows a longitudinal section of a rocker compressor.

Поршневой двухступенчатый компрессор (фиг. 1) содержит приводной вал 1 и картер 2 с крейцкопфным кривошипно-шатунным механизмом привода, который состоит из кривошипа 3, шатуна 4, пальца 5 и крейцкопфа 6. Цилиндр 7 первой ступени установлен на картере 2 и содержит поршень 8, который служит для изменения рабочего объема 9 (рабочей полости цилиндра 7) и соединен с крейцкопфом 6 штоком 10 с уплотнением 11. Поршень 8 делит цилиндр 7 на две части, причем надпоршневая полость 9 является рабочей, а подпоршневая полость 12 заполнена жидкостью и соединена с утяжеленной нижней частью цилиндра 13 второй ступени, содержащей рабочий объем 14 (рабочую полость), через гибкий шланг15 высокого давления. Таким образом, поршень 8 служит для изменения рабочих объемов (полостей) 9 и 14 в обоих цилиндрах 7 и 13,A two-stage piston compressor (Fig. 1) contains a drive shaft 1 and a crankcase 2 with a crosshead crank drive mechanism, which consists of a crank 3, a connecting rod 4, a pin 5 and a crosshead 6. The cylinder 7 of the first stage is mounted on the crankcase 2 and contains a piston 8 , which serves to change the working volume 9 (the working cavity of the cylinder 7) and is connected to the crosshead 6 by the rod 10 with a seal 11. The piston 8 divides the cylinder 7 into two parts, and the over-piston cavity 9 is working, and the under-piston cavity 12 is filled with liquid and connected to weighted lower part of the cylinder 13 of the second stage, containing the working volume 14 (working cavity), through a flexible hose 15 high pressure. Thus, the piston 8 serves to change the working volumes (cavities) 9 and 14 in both cylinders 7 and 13,

Цилиндр 13 второй ступени закреплен на картере 2 своей верхней частью через шарнир 16 и стойку 17.The cylinder 13 of the second stage is mounted on the crankcase 2 with its upper part through the hinge 16 and the rack 17.

Цилиндры 7 и 13 снабжены самодействующими всасывающими 18, 19 и нагнетательными 20, 21 клапанами и соединены между собой теплообменником 22. Клапан 18 соединен с источником газа низкого давления, клапан 21 соединен с потребителем газа высокого давления.The cylinders 7 and 13 are equipped with self-acting suction valves 18, 19 and pressure valves 20, 21 and are interconnected by a heat exchanger 22. Valve 18 is connected to a low pressure gas source, valve 21 is connected to a high pressure gas consumer.

Между нижней цилиндрической поверхностью поршня 8 и стенкой цилиндра 7 имеется радиальный зазор δ₁, а в верхней части поршня - зазор δ₂, причем δ₁ > δ₂. Between the lower cylindrical surface of the piston 8 and the wall of the cylinder 7 there is a radial clearance δ ₁ , and in the upper part of the piston there is a gap δ ₂ , with δ ₁ > δ ₂ .

На фиг. 2 показана цилиндропоршневой группы компрессора с аналогичным механизмом привода, со второй ступенью, выполненной в виде жидкостной рубашки 22 охлаждения первой ступени, которая соединена с ней через отверстия 23 в ее нижней части. Эти отверстия 23 (фиг. 3) имеют ось, наклоненную к радиусу цилиндра под острым углом α.In FIG. 2 shows a cylinder-piston group of a compressor with a similar drive mechanism, with a second stage, made in the form of a liquid cooling jacket 22 of the first stage, which is connected to it through holes 23 in its lower part. These holes 23 (Fig. 3) have an axis inclined to the radius of the cylinder at an acute angle α.

На фиг. 4 показана схема компрессора, в котором подпоршневая полость 12 соединена отверстием 24 с дополнительным цилиндром 25, отделенным от этой полости уплотнительным подпружиненным пружиной 26 поршнем 27. Для изменения усилия пружины 26 служит регулировочный винт 28. В этом примере конструкции подпоршневая полость соединена 12 с полостью 29 картера 2, а механизм привода поршня 8 первой ступени выполнен в виде шатуна 4 и поршневого пальца 30, т.е. использована бескрейцкопфная схема привода движения поршня 8.In FIG. 4 shows a diagram of a compressor in which a piston cavity 12 is connected by an opening 24 to an additional cylinder 25 separated from this cavity by a spring-loaded sealing spring 26 by a piston 27. To adjust the force of the spring 26, an adjustment screw 28 is used. In this construction example, the piston cavity is connected 12 to the cavity 29 the crankcase 2, and the piston drive mechanism 8 of the first stage is made in the form of a connecting rod 4 and a piston pin 30, i.e. a cross-free drive circuit of the piston movement 8 is used.

На фиг. 5 показана конструкция второй ступени компрессора, рабочая полость 14 цилиндра 13 которой заполнена ячеистой структурой, выполненной в данном примере, в виде набора кольцевых 32, плоских горизонтальных 33 и плоских вертикальных 34 пластин с отверстиями 35, 36 и 37.In FIG. 5 shows the construction of the second stage of the compressor, the working cavity 14 of the cylinder 13 of which is filled with a cellular structure made in this example, in the form of a set of ring 32, flat horizontal 33 and flat vertical 34 plates with holes 35, 36 and 37.

На фиг. 6 показана схематично конструкция компрессора, в котором подпоршневая полость 12 первой ступени соединена с заполненной жидкостью полостью 29 картера 2 и с цилиндром второй ступени через шланг 15, а механизм привода поршня 8 первой ступени выполнен в виде кулачка 38 двустороннего действия, имеющего наружную 39 и внутреннюю 40 эквидистантные опорные поверхности.In FIG. 6 shows schematically the design of the compressor, in which the piston cavity 12 of the first stage is connected to the fluid-filled cavity 29 of the crankcase 2 and to the cylinder of the second stage through a hose 15, and the drive mechanism of the piston 8 of the first stage is made in the form of a double-acting cam 38 having an external 39 and an internal 40 equidistant bearing surfaces.

Шпонка 41 служит для передачи крутящего момента от вала 1 к кулачку 38. Подшипники качения 42, 43 и 44 с пальцами 45, 46 и 47 служат вместе с кулачком 38 для создания возвратно-поступательного движения поршня 8 в соответствии с формой эквидистантных поверхностей 39 и 40.The key 41 serves to transmit torque from the shaft 1 to the cam 38. The rolling bearings 42, 43 and 44 with the fingers 45, 46 and 47 serve together with the cam 38 to create a reciprocating movement of the piston 8 in accordance with the shape of the equidistant surfaces 39 and 40 .

На фиг 7-10 схематично показано положение пальца 47 поршня 8 при вращении кулачка 38 вместе с валом 1 и шпонкой 41. Штрихпунктирной линией показана окружность.On Fig 7-10 schematically shows the position of the finger 47 of the piston 8 during rotation of the cam 38 together with the shaft 1 and the key 41. The dashed-dotted line shows the circle.

На фиг. 11 схематично показан компрессор, в котором механизм привода поршня 8 первой ступени выполнен в виде кулисы 48, первый конец 49 которой шарнирно закреплен на картере 2 на неподвижной оси 50, другой конец 51 через шарнир соединен с шатуном 4 и крейцкопфом 6, на котором установлен шток 10 поршня 8. Кулиса 48 имеет паз 52 с установленным в нем подвижным ползуном 53, который надет на кривошип 3, закрепленный на приводном валу 1, и подпоршневая полость 12 первой ступени заполнена жидкостью и соединена с цилиндром 13 второй ступени.In FIG. 11 schematically shows a compressor in which the drive mechanism of the piston 8 of the first stage is made in the form of a link 48, the first end of which 49 is pivotally mounted on the crankcase 2 on a fixed axis 50, the other end 51 is connected through a hinge to the connecting rod 4 and crosshead 6 on which the rod is mounted 10 of the piston 8. The link 48 has a groove 52 with a movable slider 53 mounted therein, which is worn on a crank 3 mounted on the drive shaft 1, and the piston cavity 12 of the first stage is filled with liquid and connected to the cylinder 13 of the second stage.

Поршневой двухступенчатый насос работает следующим образом (фиг. 1).A piston two-stage pump operates as follows (Fig. 1).

При вращении вала 1 с кривошипом 3 с помощью шатуна 4 и пальца 5 создается возвратно-поступательное движение крейцкопфа 6 и установленного на нем поршня 8. В результате этого происходит периодическое увеличение и уменьшение полостей 9 и 12. When the shaft 1 is rotated with the crank 3 using the connecting rod 4 and the pin 5, a reciprocating movement of the crosshead 6 and the piston 8 installed on it is created. As a result of this, the cavities 9 and 12 are periodically increased and decreased.

При ходе поршня 8 вниз происходит увеличении объема полости 9, давление газа в ней падает, клапан 18 открывается, клапан 20 закрывается, и газ от источника поступает в полость 9 – происходит процесс всасывания. При ходе поршня 8 вверх объем полости 9 уменьшается. При этом сначала происходит сжатие и увеличение давления газа при закрытых клапанах 18 и 20. Потом, когда давление газа превысит давление нагнетания первой ступени, которое имеется в теплообменнике 22, клапан 20 открывается, и сжатый газ поступает в теплообменник 22, который дополнительно выполняет функцию ресивера – происходит процесс сжатия-нагнетания газа в первой ступени. When the piston 8 moves downward, the volume of the cavity 9 increases, the gas pressure in it drops, the valve 18 opens, the valve 20 closes, and the gas from the source enters the cavity 9 - the suction process takes place. When the piston 8 moves up, the volume of the cavity 9 decreases. In this case, compression and increase in gas pressure first occurs when the valves 18 and 20 are closed. Then, when the gas pressure exceeds the discharge pressure of the first stage, which is available in the heat exchanger 22, the valve 20 opens, and the compressed gas enters the heat exchanger 22, which additionally serves as a receiver - there is a process of compression-injection of gas in the first stage.

Одновременно при ходе поршня 8 вниз происходит уменьшение объема полости 12, что приводит к сжатию находящейся в ней жидкости и ее проталкиванию через шланг 15 в полость 14, где находится газ под давлением нагнетания первой ступени, при закрытых клапанах 19 и 21. В результате этого уровень столба жидкости в полости 14 увеличивается, находящийся над столбом жидкости газ сжимается до тех пор, пока его давление не превысит давление потребителя, после чего клапан 21 открывается, и сжатый газ поступает потребителю.At the same time, when the piston 8 moves downward, the volume of the cavity 12 decreases, which leads to compression of the liquid in it and its pushing through the hose 15 into the cavity 14, where the gas is under the injection pressure of the first stage, with valves 19 and 21 closed. As a result, the level the liquid column in the cavity 14 increases, the gas above the liquid column is compressed until its pressure exceeds the consumer pressure, after which the valve 21 opens and the compressed gas enters the consumer.

При ходе поршня 8 вверх объем полости 9 уменьшается, давление газа в ней повышается, клапан 18 закрывается, и начинается сжатие газа при закрытом клапане 20, которое продолжается до тех пор, пока давление не станет выше давления в теплообменнике 22 – т.е. давления нагнетания первой ступени. После этого клапан 20 открывается, и начинается нагнетание газа в теплообменник 22.When the piston 8 moves upward, the volume of the cavity 9 decreases, the gas pressure in it rises, the valve 18 closes, and gas compression begins when the valve 20 is closed, which continues until the pressure rises above the pressure in the heat exchanger 22 - i.e. discharge pressure of the first stage. After that, the valve 20 opens, and gas injection into the heat exchanger 22 begins.

Одновременно при ходе поршня 8 вверх объем полости 12 увеличивается, давление в ней снижается, и жидкость из полости 14 через шланг 15 всасывается в увеличивающуюся полость 12. При этом объем полости 14 растет, давление в ней падает, становится ниже давления нагнетания второй ступени, клапан 21 закрывается, а клапан 19 открывается, и начинается процесс всасывания газа из теплообменника 22 в полость 14.At the same time, when the piston 8 moves upward, the volume of the cavity 12 increases, the pressure in it decreases, and the liquid from the cavity 14 is sucked through the hose 15 into the increasing cavity 12. At the same time, the volume of the cavity 14 increases, the pressure in it drops, becomes lower than the discharge pressure of the second stage, the valve 21 closes, and valve 19 opens, and the process of sucking gas from the heat exchanger 22 into the cavity 14 begins.

Затем цикл повторяется.Then the cycle repeats.

При сжатии жидкости в полости 12 во время процессов всасывания в полости 9 и сжатия-нагнетания газа в полости 14, между полостями 12 и 9 возникает перепад давления, в результате чего жидкость из полости 12 проникает в зазор δ₁ в нижней части поршня 8, заполняет его и затем попадает в зазор δ₂, объем которого кратно выше, чем объем зазора δ₁. Например, для поршня диаметром около 40 мм можно рекомендовать δ₁ = 10-15 мкм и δ₂ = 50-80 мкм. В связи с тем, что жидкость имеет вязкость на несколько порядков более высокую, чем газ, ее течение и в зазоре δ₂ остается ламинарным с большим градиентом давления по длине зазора. Поэтому она даже при большом перепаде давления между полостями 9 и 12 не преодолевает всю длину зазора между поршнем 8 и цилиндром 7.When the fluid is compressed in the cavity 12 during the processes of suction in the cavity 9 and compression-injection of gas in the cavity 14, a pressure differential occurs between the cavities 12 and 9, as a result of which the liquid from the cavity 12 penetrates into the gap δ ₁ in the lower part of the piston 8, fills it and then falls into the gap δ ₂ , the volume of which is multiple higher than the volume of the gap δ ₁ . For example, for a piston with a diameter of about 40 mm, δ ₁ = 10-15 μm and δ ₂ = 50-80 μm can be recommended. Due to the fact that the liquid has a viscosity several orders of magnitude higher than gas, its flow in the gap δ ₂ remains laminar with a large pressure gradient along the length of the gap. Therefore, even with a large pressure drop between the cavities 9 and 12, it does not overcome the entire length of the gap between the piston 8 and the cylinder 7.

Во время сжатия газа в полости 9 и всасывании жидкости в полости 12 перепад давления невелик, он определяется сопротивлением шланга 15 и клапана 20 в процессе нагнетания. Однако, зазор δ₂ для воздуха с его малой вязкостью не представляет существенного гидравлического сопротивления, в связи с чем на его протяжении практически нет градиента давления, и жидкость активно из него вытесняется в зазор δ₁ и далее в полость 12. During the compression of the gas in the cavity 9 and the absorption of the liquid in the cavity 12, the pressure drop is small, it is determined by the resistance of the hose 15 and valve 20 during the discharge process. However, the gap δ ₂ for air with its low viscosity does not represent significant hydraulic resistance, and therefore there is practically no pressure gradient throughout it, and the liquid is actively displaced from it into the gap δ ₁ and then into the cavity 12.

В любом случае, даже при большом давлении нагнетания второй ступени (порядка 50-60 бар) протечки жидкости через зазор поршневой пары попадают полость 14 и оседают в ее нижней части под действием гравитационных сил, что предотвращает потерю жидкости с нагнетаемым газом.In any case, even with a high injection pressure of the second stage (about 50-60 bar), the fluid leaks through the gap of the piston pair cavity 14 and settles in its lower part under the influence of gravitational forces, which prevents the loss of fluid with the injected gas.

Шарнирный подвес цилиндра 13 второй ступени в совокупности с утяжелителем (крупно показан на фиг. 5), соединением его с цилиндром первой ступени через гибкий шланг 15, позволяет сохранять горизонтальный уровень жидкости в цилиндре 13 и предотвратить ее попадание в нагнетательную линию при наклонном положении компрессора, что очень важно при его установке на транспортные средства.The hinged suspension of the second stage cylinder 13 in conjunction with the weighting compound (shown in large detail in Fig. 5), connecting it to the first stage cylinder through a flexible hose 15, allows you to maintain a horizontal liquid level in the cylinder 13 and prevent it from falling into the discharge line when the compressor is inclined, which is very important when installing it on vehicles.

Компрессор, цилиндропоршневая группа которого показана на фиг. 2, работает аналогично вышеописанному с той разницей, что отсутствие гибкого соединения между цилиндрами первой и второй ступени требует его более или менее строгого вертикального положения. Однако, этот вариант чрезвычайно компактен, а наклонные отверстия 23 (фиг. 3), через которые жидкость перетекает между полостями 12 и 14, создают закрученные вокруг оси цилиндра потоки жидкости с высокой скоростью, что существенно улучшают процесс теплоотвода от сжимаемого газа к стенкам конструкции и далее – в окружающую среду.A compressor whose cylinder-piston group is shown in FIG. 2, works similarly to the above with the difference that the absence of a flexible connection between the cylinders of the first and second stage requires its more or less strict vertical position. However, this option is extremely compact, and the inclined holes 23 (Fig. 3), through which the fluid flows between the cavities 12 and 14, create high-velocity fluid flows twisted around the cylinder axis, which significantly improve the heat removal process from the compressible gas to the walls of the structure and further into the environment.

Компрессор, изображенный на фиг. 4 работает аналогично изображенному на фиг. 1. Отличие состоит в том, что к подпоршневой полости 12 через отверстие 24 присоединен дополнительный цилиндр 25 с поршнем 27, пружиной 26 и винтом 28. В этом случае при ходе поршня 8 вниз количество жидкости, которое перетекает в полость 14 из полости 12, зависит не только от изменения объема полости 12, но и от того, насколько сожмется под давлением пружина 26, и, соответственно, сколько жидкости затечет через отверстие 24 в образовавшуюся под поршнем 27 полость. Чем «мягче» пружина, тем большее количество жидкости попадет под поршень 27, тем меньше жидкости протечет в полость 14, и тем меньшее количество газа будет вытеснено из этой полости. The compressor shown in FIG. 4 operates similarly to that depicted in FIG. 1. The difference is that an additional cylinder 25 with a piston 27, a spring 26 and a screw 28 is connected to the sub-piston cavity 12 through the hole 24. In this case, when the piston 8 moves downward, the amount of liquid that flows into the cavity 14 from the cavity 12 depends not only from a change in the volume of the cavity 12, but also from how much the spring 26 compresses under pressure, and, accordingly, how much fluid flows through the hole 24 into the cavity formed under the piston 27. The softer the spring, the greater the amount of liquid that will fall under the piston 27, the less liquid will flow into the cavity 14, and the less gas will be displaced from this cavity.

Таким образом, в данной конструкции возможна регулировка производительности компрессора.Thus, in this design, it is possible to adjust the performance of the compressor.

Ячеистая структура в виде пластин 32, 33 и 34 с отверстиями 35, 36 и 37 (фиг. 5) позволяет не расплескиваться жидкости в пределах полости 14 при вибрации компрессора, и попадать отдельным каплям через клапан 21 потребителю. Это особенно важно при установке компрессора на транспортные средства.The cellular structure in the form of plates 32, 33 and 34 with openings 35, 36 and 37 (Fig. 5) allows not to splash liquid within the cavity 14 when the compressor vibrates, and to get individual drops through the valve 21 to the consumer. This is especially important when installing the compressor on vehicles.

Работа компрессора, показанного на фиг. 6 принципиально не отличается от показанной на фиг. 1. Его конструкция отличается оригинальным механизмом привода движения поршня, которое создается при вращении кулачка 38, приводящегося в движение от вала 1 через шпонку 41.The operation of the compressor shown in FIG. 6 does not fundamentally differ from that shown in FIG. 1. Its design is characterized by the original piston movement drive mechanism, which is created by rotation of the cam 38, driven from the shaft 1 through the key 41.

Кулачек 38 имеет эквидистантные поверхности – наружную 39 и внутреннюю 40. При вращении кулачка для передачи поршню 8 через палец 47 и подшипник 44 движения вверх работает поверхность 39 («толкает» поршень 8), а для передачи движения вниз через подшипники 42, 43 и пальцы 45 и 46 – поверхность 40 («тянет» поршень 8).The cam 38 has equidistant surfaces — the outer 39 and the inner 40. When the cam rotates to transmit the piston 8 through the pin 47 and the upstream bearing 44, the surface 39 works (“pushes” the piston 8), and to transmit the downward movement through the bearings 42, 43 and the fingers 45 and 46 - surface 40 ("pulls" the piston 8).

В данном примере (см. также фиг. 7) форма поверхностей 39 и 40 такова, что ход поршня 8 вниз от ВМТ (верхней мертвой точки) до НМТ (нижней мертвой точки, фиг. 8) совершается при повороте вала 1 всего на 90 градусов, т.е. всего за четверть времени общего цикла. Направление вращения вала 1 показано стрелкой. В этот период времени происходит всасывание газа в первой ступени, сопровождающееся сжатием жидкости в полости 12 и в полости картера 29 до высокого давления нагнетания второй ступени. Именно в этот период времени на поршне 8 существует максимальный перепад среднего давления цикла между жидкостью в полости 12 и газом в полости 9. In this example (see also Fig. 7), the shape of surfaces 39 and 40 is such that the piston 8 moves downward from TDC (top dead center) to BDC (bottom dead center, Fig. 8) when shaft 1 rotates only 90 degrees , i.e. in just a quarter of the total cycle time. The direction of rotation of the shaft 1 is shown by the arrow. During this period of time, gas is absorbed in the first stage, accompanied by compression of the liquid in the cavity 12 and in the cavity of the crankcase 29 to a high injection pressure of the second stage. It is during this period of time on the piston 8 that there is a maximum difference in the average cycle pressure between the liquid in the cavity 12 and the gas in the cavity 9.

В связи с тем, что перетечки через зазор между поршнем и цилиндром являются функцией величины и длины зазора, вязкости жидкости, среднего перепада давления и времени истечения, при снижении времени процесса масса перетечек жидкости из полости 12 в полость 9 снижается.Due to the fact that the overflow through the gap between the piston and the cylinder is a function of the size and length of the gap, the viscosity of the liquid, the average pressure drop and the expiration time, with a decrease in the process time, the mass of the liquid flow from the cavity 12 into the cavity 9 decreases.

После прихода поршня 8 в положение НМТ при дальнейшем вращении вала 1 происходит сравнительно медленное движение поршня вверх (фиг. 9 – 10 - 8). В этот отрезок времени (три четверти цикла) на поршне 8 существует минимальный перепад давления. After the piston 8 arrives in the BDC position with a further rotation of the shaft 1, a relatively slow upward movement of the piston occurs (Fig. 9 - 10 - 8). In this period of time (three-quarters of the cycle) on the piston 8 there is a minimum pressure drop.

Сначала этот перепад направлен от полости 12 к полости 9, в которой начинается сжатие газа, а в полости 12 существует постоянное давление всасывания второй ступени, затем он выравнивается (в полости 9 достигнуто давление нагнетания), а затем в связи с наличием гидравлического сопротивления клапана 20 и теплообменника 22, - давление в полости 9 становится больше, чем давление в полости 12, и перепад давления меняет направление. В целом на этом участке цикла перетечки между полостями 9 и 12 минимальны, или почти отсутствуют, поэтому увеличение времени его протекания мало сказывается на возможности попадания жидкости в сжимаемый газ.First, this difference is directed from the cavity 12 to the cavity 9, in which gas compression begins, and in the cavity 12 there is a constant suction pressure of the second stage, then it is equalized (discharge pressure is reached in the cavity 9), and then due to the hydraulic resistance of the valve 20 and heat exchanger 22, the pressure in the cavity 9 becomes greater than the pressure in the cavity 12, and the pressure drop changes direction. On the whole, on this part of the cycle, the overflow between cavities 9 and 12 is minimal, or almost absent, therefore, an increase in its flow time has little effect on the possibility of liquid entering the compressible gas.

Таким образом, относительное сокращение времени хода поршня 8 вниз в процессах всасывания газа в первую ступень и сжатия газа во второй ступени положительно влияет на минимизацию попадания жидкости из подпоршневого пространства 12 в сжимаемый в полости 9 газ. Это, в свою очередь, существенно улучшает работу теплообменника 22, что позволяет снизить его массу и габариты, а также улучшить цикл работы второй ступени. Thus, the relative reduction in the stroke time of the piston 8 down in the processes of gas suction in the first stage and gas compression in the second stage has a positive effect on minimizing the ingress of fluid from the sub-piston space 12 into the gas compressed in the cavity 9. This, in turn, significantly improves the operation of the heat exchanger 22, which allows to reduce its weight and dimensions, as well as to improve the cycle of the second stage.

Для получения аналогичного эффекта служит и конструкция компрессора, схематично изображенного на фиг. 11, в которой для привода движения поршня 8 используется кулисный привод. При вращении кривошипа 3 время, в течение которого происходит сжатие жидкости в подпоршневом пространстве (полость 12) и сжатие газа во второй ступени (полость 14) существенно меньше времени, в течение которого происходит сжатие газа в полости 9, в связи с чем жидкость из полости 12 не успевает проникнуть через зазор между поршнем 8 и цилиндром 7 в полость 9.To obtain a similar effect, the compressor design shown schematically in FIG. 11, in which a rocker drive is used to drive the movement of the piston 8. When the crank 3 rotates, the time during which the liquid is compressed in the sub-piston space (cavity 12) and the gas is compressed in the second stage (cavity 14) is significantly less than the time during which the gas is compressed in the cavity 9, and therefore the liquid from the cavity 12 does not have time to penetrate through the gap between the piston 8 and the cylinder 7 into the cavity 9.

В этой конструкции дополнительный цилиндр 25 присоединен к нижней части цилиндра 14 второй ступени, и так как она соединена с нижней частью полости 12 шлангом 15, этот цилиндр выполняет предназначенную для него функцию – регулировка производительности компрессора.In this design, an additional cylinder 25 is connected to the lower part of the second stage cylinder 14, and since it is connected to the lower part of the cavity 12 by a hose 15, this cylinder performs its intended function of adjusting the compressor capacity.

Для всех вышеописанных конструкций характерно абсолютно герметичное уплотнение цилиндра 14 второй ступени, что позволяет получить уникальные для компрессора свойства: отсутствие утечек ступени высокого давления при исключении трения между поршнем и цилиндром. Кроме того, сжатие газа столбом жидкости при постоянной ее циркуляции в полости цилиндра 14 позволяет существенно снизить температуру его стенок, и снижает также теплонапряженность клапанной группы, повышая ее надежность и работоспособность.All the above structures are characterized by an absolutely tight seal of the cylinder 14 of the second stage, which allows to obtain unique properties for the compressor: the absence of leaks of the high pressure stage with the exception of friction between the piston and the cylinder. In addition, the compression of gas by a liquid column with constant circulation in the cavity of the cylinder 14 can significantly reduce the temperature of its walls, and also reduces the heat stress of the valve group, increasing its reliability and performance.

Циркуляция жидкости в цилиндропоршневой группе первой ступени также служит для повышения экономичности цикла ее работы, надежности и работоспособности ее деталей.The circulation of fluid in the cylinder-piston group of the first stage also serves to increase the efficiency of the cycle of its operation, reliability and performance of its parts.

Все вышеперечисленное дает возможность существенно увеличить коэффициент повышения давления двухступенчатого компрессора, и тем самым - в двух ступенях сжимать газ до давления, характерного для трех- четырехступенчатых машин.All of the above makes it possible to significantly increase the pressure increase coefficient of a two-stage compressor, and thereby - to compress gas in two stages to the pressure characteristic of three or four-stage machines.

Отсутствие механизма привода второй ступени также позволяет существенно снизить массу и габариты компрессора.The absence of a drive mechanism for the second stage also significantly reduces the weight and dimensions of the compressor.

Таким образом, следует считать, что поставленная техническая задача полностью выполнена.Thus, it should be considered that the technical task posed is fully completed.

Claims (11)

1. Способ работы поршневого двухступенчатого компрессора, заключающийся во всасывании газа при движении поршня в цилиндре первой ступени, его сжатии и нагнетании в цилиндр второй ступени во время увеличения ее объема с последующим сжатием газа в этом объеме и его нагнетании потребителю, отличающийся тем, что сжатие и нагнетание газа в цилиндре второй ступени осуществляется столбом жидкости, движение и давление которой создается в подпоршневом пространстве поршнем первой ступени.1. The method of operation of a reciprocating two-stage compressor, which consists in sucking gas during movement of the piston in the cylinder of the first stage, compressing it and pumping it into the cylinder of the second stage while increasing its volume, followed by compression of the gas in this volume and pumping it to the consumer, characterized in that the compression and gas injection in the cylinder of the second stage is carried out by a column of liquid, the movement and pressure of which is created in the piston space by the piston of the first stage. 2. Способ работы поршневого двухступенчатого компрессора по п. 1, отличающийся тем, что в общем цикле работы процесс сжатия-нагнетания первой ступени по продолжительности короче процесса сжатия-нагнетания второй ступени.2. The method of operation of a reciprocating two-stage compressor according to claim 1, characterized in that in the general cycle of operation the compression-injection process of the first stage is shorter in duration than the compression-injection process of the second stage. 3. Поршневой двухступенчатый компрессор для осуществления способа по п. 1, содержащий приводной вал и картер с механизмом привода, цилиндры первой и второй ступеней и устройства для изменения рабочих объемов в обоих цилиндрах, отличающийся тем, что устройство для изменения рабочего объема первой ступени выполнено в виде поршня, делящего цилиндр на две части, причем надпоршневая полость является рабочей, а подпоршневая полость заполнена жидкостью и соединена с цилиндром второй ступени.3. A piston two-stage compressor for implementing the method according to claim 1, comprising a drive shaft and a crankcase with a drive mechanism, cylinders of the first and second stages and devices for changing the working volumes in both cylinders, characterized in that the device for changing the working volume of the first stage is made in in the form of a piston dividing the cylinder into two parts, the supra-piston cavity being working, and the sub-piston cavity filled with liquid and connected to the cylinder of the second stage. 4. Поршневой двухступенчатый компрессор по п. 3, отличающийся тем, что цилиндр второй ступени закреплен на картере своей верхней частью через шарнир, а в нижней части установлен утяжелитель.4. A two-stage piston compressor according to claim 3, characterized in that the cylinder of the second stage is mounted on the crankcase with its upper part through a hinge, and a weighting agent is installed in the lower part. 5. Поршневой двухступенчатый компрессор по п. 3, отличающийся тем, что цилиндр второй ступени выполнен в виде жидкостной рубашки цилиндра первой ступени и соединен с ней через отверстия в ее нижней части.5. A two-stage piston compressor according to claim 3, characterized in that the cylinder of the second stage is made in the form of a liquid jacket of the cylinder of the first stage and is connected to it through openings in its lower part. 6. Поршневой двухступенчатый компрессор по пп. 3 и 5, отличающийся тем, что отверстия, соединяющие низ цилиндра первой ступени с нижней частью рубашки, имеют ось, наклоненную к радиусу цилиндра под углом.6. The piston two-stage compressor according to paragraphs. 3 and 5, characterized in that the holes connecting the bottom of the cylinder of the first stage with the bottom of the shirt have an axis inclined to the radius of the cylinder at an angle. 7. Поршневой двухступенчатый компрессор по п. 3, отличающийся тем, что подпоршневая полость соединена с дополнительным цилиндром, отделенным от этой полости уплотнительным подпружиненным поршнем.7. A two-stage piston compressor according to claim 3, characterized in that the piston cavity is connected to an additional cylinder separated from this cavity by a spring-loaded sealing piston. 8. Поршневой двухступенчатый компрессор по п. 3, отличающийся тем, что подпоршневая полость соединена с полостью картера, а механизм привода поршня первой ступени выполнен в виде шатуна и поршневого пальца.8. A two-stage piston compressor according to claim 3, characterized in that the piston cavity is connected to the crankcase, and the piston drive mechanism of the first stage is made in the form of a connecting rod and piston pin. 9. Поршневой двухступенчатый компрессор по п. 3, отличающийся тем, что рабочая полость цилиндра второй ступени заполнена ячеистой структурой, выполненной, например, в виде пакета сеток или набора пластин с отверстиями.9. A two-stage piston compressor according to claim 3, characterized in that the working cavity of the cylinder of the second stage is filled with a cellular structure made, for example, in the form of a packet of grids or a set of plates with holes. 10. Поршневой двухступенчатый компрессор для осуществления способа по пп. 1 и 2, содержащий приводной вал и картер с механизмом привода поршня первой ступени, цилиндры первой и второй ступеней, отличающийся тем, что подпоршневая полость первой ступени соединена с заполненной жидкостью полостью картера и с цилиндром второй ступени, а механизм привода поршня первой ступени выполнен в виде кулачка двустороннего действия, имеющего наружную и внутреннюю эквидистантные поверхности.10. Piston two-stage compressor for implementing the method according to paragraphs. 1 and 2, comprising a drive shaft and a crankcase with a mechanism for driving the piston of the first stage, cylinders of the first and second stages, characterized in that the piston cavity of the first stage is connected to the fluid-filled cavity of the crankcase and to the cylinder of the second stage, and the piston drive mechanism of the first stage is made in in the form of a double-acting cam having external and internal equidistant surfaces. 11. Поршневой двухступенчатый компрессор для осуществления способа по пп. 1 и 2, содержащий приводной вал и картер с механизмом привода поршня первой ступени, цилиндры первой и второй ступеней, отличающийся тем, что механизм привода поршня первой ступени выполнен в виде кулисы, первый конец которой шарнирно закреплен на картере на неподвижной оси, другой конец через шарнир соединен с шатуном и крейцкопфом, на котором установлен шток поршня, причем кулиса имеет паз с установленным в нем подвижным ползуном, который надет на кривошип, закрепленный на приводном валу, и подпоршневая полость первой ступени заполнена жидкостью и соединена с цилиндром второй ступени.11. Piston two-stage compressor for implementing the method according to PP. 1 and 2, comprising a drive shaft and a crankcase with a first stage piston drive mechanism, first and second stage cylinders, characterized in that the first stage piston drive mechanism is made in the form of a link, the first end of which is pivotally mounted on the crankcase on a fixed axis, the other end through the hinge is connected to the connecting rod and the crosshead on which the piston rod is mounted, and the link has a groove with a movable slide mounted on it, which is worn on a crank mounted on the drive shaft, and the piston cavity of the first stage is filled with liquid and connected to the cylinder of the second stage.

Images