CN114320834A - 一种活塞式压缩机高压级平衡腔布置结构 - Google Patents

Abstract

一种活塞式压缩机高压级平衡腔布置结构，包括设置在缸体两端的平衡腔和压缩腔，所述平衡腔布置在气缸的盖侧，压缩腔布置在气缸的轴侧，平衡腔和压缩腔所在缸体的壁面均成对开孔，通过缸体上所开的孔将平衡腔和压缩腔连通，实现进气流程上平衡腔与压缩腔相串联，进气经过平衡腔之后再进入压缩腔，通过压缩腔压缩后排出压缩腔。本发明平衡腔布置结构通过合理设计单级压比、活塞和活塞杆的截面积之比、进气压力损失比，能够保证反向角的存在并使其不小于15°，防止十字头销、连杆头衬套和轴瓦因供油不足产生高温烧损现象；通过设计平衡腔进出气流程，降低了平衡腔和工作腔内气体温度，改善了活塞环和填料函的工作环境，提高了其使用寿命。

Description

一种活塞式压缩机高压级平衡腔布置结构

技术领域

本发明属于活塞式压缩机领域，具体涉及一种活塞式压缩机高压级平衡腔布置结构。

背景技术

大型活塞式压缩机是石油、化学及天然气领域中的关键设备，其运行的可靠性和安全性会直接影响整个生产线的运行。目前，由于高温高压的工作条件，活塞式压缩机高压级的密封部件——活塞环和填料函等老化迅速，需要频繁更换。同时，当高压级布置成单作用型式时，压缩机工作过程中将不存在反向角，反向角是压缩机一个工作周期内活塞杆负荷处于反向过程所对应的曲柄转角。没有反向角就表示没有负荷反向过程，导致十字头销总压在连杆小头衬套某一侧，另一侧始终得不到润滑和冷却，如图4所示。这会使得十字头销、连杆小头衬套随压缩机运行产生高温烧损现象，严重影响活塞式压缩机工作的可靠性和安全性。

目前常使用双作用、级差式气缸或布置传统平衡腔的方式以解决活塞杆负荷不能反向的问题。但是，在高压级布置成双作用或级差式气缸的型式不利于高压级气缸的小型化、耐高温，同时耐高压材料的大量使用将急剧增加制造成本。而采用传统平衡腔时，一般在气缸轴侧设平衡腔，抽取一部分经冷却器冷却后的该级排气作为平衡腔内平衡气体。但是由于传统平衡腔属于呼吸腔，气体仅由一个通孔实现进出，如图5所示。受气缸壁面的加热影响，这部分气体温度将持续上升，保持在较高水平，不利于活塞环和填料函的长期使用。以上这些措施都不能解决活塞式压缩机高压级部分运行的可靠性和安全性问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种活塞式压缩机高压级平衡腔布置结构，在增大反向角以改善十字头销和连杆小头衬套的润滑条件的同时，还能降低活塞式压缩机高压级的工质温度，保证活塞式压缩机高压级部分运行的可靠性和安全性。

为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：

实施例提供了一种活塞式压缩机高压级平衡腔布置结构，包括设置在缸体两端的平衡腔和压缩腔，所述平衡腔布置在气缸的盖侧，压缩腔布置在气缸的轴侧，平衡腔和压缩腔所在缸体的壁面均成对开孔，通过缸体上所开的孔将平衡腔和压缩腔连通，实现进气流程上平衡腔与压缩腔相串联，进气经过平衡腔之后再进入压缩腔，通过压缩腔压缩后排出压缩腔。

作为本发明活塞式压缩机高压级平衡腔布置结构的一种优选方案，所述缸体上所开的孔为通孔，平衡腔的出气孔与压缩腔进气孔之间通过缸体外部设置的管道连通。

作为本发明活塞式压缩机高压级平衡腔布置结构的一种优选方案，所述平衡腔的进气孔上连接有进气冷却器。

作为本发明活塞式压缩机高压级平衡腔布置结构的一种优选方案，所述缸体的壁面对应平衡腔所开的孔中，进气孔为通孔，排气孔为盲孔；所述缸体的壁面对应压缩腔所开的孔中，进气孔为盲孔，排气孔为通孔；所述平衡腔的出气孔与压缩腔进气孔之间通过开设在缸体壁面上的气路通道连通。

作为本发明活塞式压缩机高压级平衡腔布置结构的一种优选方案，所述缸体的内部设置活塞，活塞杆穿过所述压缩腔与活塞连接。

作为本发明活塞式压缩机高压级平衡腔布置结构的一种优选方案，当压缩腔内处于吸气过程时，所述活塞杆受力F_in＝(P₁-ΔP)(A₁-A₂)-P₁A₁；当压缩腔内处于排气过程时，所述活塞杆受力F_out＝P₂(A₁-A₂)-P₁A₁；上式中，P₁为平衡腔的压力，由于阻力损失，所述压缩腔进气压力为P₁-ΔP；排气压力为P₂；所述活塞的面积为A₁，所述活塞杆的面积为A₂。

作为本发明活塞式压缩机高压级平衡腔布置结构的一种优选方案，所述活塞杆受拉时的活塞力方向为正，吸气过程活塞杆受压，即F_in<0，排气过程活塞杆受拉，即F_out>0，则压比P₂/P₁、活塞和活塞杆的截面积之比A₁/A₂满足：

进一步的，作为本发明活塞式压缩机高压级平衡腔布置结构的一种优选方案，所述活塞杆所受正向最大负荷和反向最大负荷的绝对值之比满足：

使反向角不小于15°。

更进一步的，作为本发明活塞式压缩机高压级平衡腔布置结构的一种优选方案，所述压比P₂/P₁、活塞和活塞杆的截面积之比A₁/A₂、进气压力损失比ΔP/P₁满足：

相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：

该活塞式压缩机高压级平衡腔布置结构的平衡腔和压缩腔所在缸体的壁面均成对开孔，通过缸体上所开的孔将平衡腔和压缩腔连通，使得平衡腔与压缩腔在进气流程上是串联的，冷却后的进气进入平衡腔后，再进入压缩腔，通过压缩腔压缩后排出压缩腔。本发明的活塞式压缩机高压级平衡腔布置结构通过设计平衡腔进出气流程，降低了平衡腔和工作腔内气体温度，改善了活塞环和填料函的工作环境，提高了其使用寿命。针对现有活塞式压缩机高压级部分无反向角或反向角过小导致的十字头销、连杆小头衬套磨损严重的问题以及缸内气体温度过高导致活塞环和填料函老化迅速的问题，本发明活塞式压缩机高压级平衡腔布置结构在增大反向角以改善十字头销和连杆小头衬套的润滑条件的同时，还能够降低活塞式压缩机高压级的工质温度，保证活塞式压缩机高压级部分运行的可靠性和安全性。

进一步的，本发明的活塞式压缩机高压级平衡腔布置结构通过合理设计单级压比、活塞和活塞杆的截面积之比、进气压力损失比，保证反向角的存在并使其不小于15°，有效防止了十字头销、连杆头衬套和轴瓦因供油不足产生高温烧损现象。

附图说明

图1本发明活塞式压缩机高压级平衡腔活塞处于上下止点位置时的活塞杆受力示意图；

图2本发明通过缸体外部管道连接平衡腔与压缩腔的结构示意图；

图3本发明通过缸体壁面气路通道连通平衡腔与压缩腔的结构示意图；

图4反向角对十字头销和连杆小头衬套润滑影响的示意图；

图5传统平衡腔的结构及进气流程示意图。

附图中：1-活塞，2-缸体，3-填料函，4-活塞杆，5-十字头，6-连杆，7-排气冷却器，8-平衡腔，9-压缩腔，10-十字头销。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

现有的活塞式压缩机高压级部分无反向角或反向角过小，如图4所示，这会导致十字头销10总压在连杆6小头衬套某一侧，另一侧始终得不到润滑和冷却，造成十字头销10、连杆6小头衬套磨损严重。另一方面，一般在气缸轴侧设平衡腔8，抽取一部分经冷却器冷却后的该级排气作为平衡腔8内平衡气体，但传统结构中的平衡腔8属于呼吸腔，气体仅由一个通孔实现进出，如图5所示，受气缸壁面加热影响，这部分气体温度将持续上升，保持在较高水平，最终会由于缸内气体温度过高导致活塞环和填料函3迅速老化。

本发明提出一种活塞式压缩机高压级平衡腔布置结构，在增大反向角以改善十字头销和连杆小头衬套的润滑条件的同时，还能降低活塞式压缩机高压级的工质温度，保证活塞式压缩机高压级部分运行的可靠性和安全性。如图2以及图3所示，本发明包括设置在缸体2两端的平衡腔8和压缩腔9，平衡腔8布置在气缸的盖侧，压缩腔9布置在气缸的轴侧，平衡腔8和压缩腔9所在缸体2的壁面均成对开孔，通过缸体2上所开的孔将平衡腔8和压缩腔9连通，从而实现进气流程上平衡腔8与压缩腔9相串联，进气经过平衡腔8之后再进入压缩腔9，通过压缩腔9压缩后排出压缩腔9。在一种可能的实施方式当中，缸体2上所开的孔为通孔，平衡腔8的出气孔与压缩腔9进气孔之间通过缸体2外部设置的管道连通，如图2所示。在一种可能的实施方式当中，缸体2的壁面对应平衡腔8所开的孔中，进气孔为通孔，排气孔为盲孔；缸体2的壁面对应压缩腔9所开的孔中，进气孔为盲孔，排气孔为通孔；并且平衡腔8的出气孔与压缩腔9进气孔之间通过开设在缸体2壁面上的气路通道连通。

更进一步的，当平衡腔8的出气孔与压缩腔9进气孔之间通过缸体2外部设置的管道连通时，可以选择在所述平衡腔8的进气孔上连接进气冷却器。

如图1所示，本发明缸体2的内部设置活塞1，活塞杆4穿过压缩腔9与活塞1连接。

当压缩腔9内处于吸气过程时，所述活塞杆4受力F_in＝(P₁-ΔP)(A₁-A₂)-P₁A₁；

当压缩腔9内处于排气过程时，所述活塞杆4受力F_out＝P₂(A₁-A₂)-P₁A₁；

上式中，P₁为平衡腔8的压力，由于阻力损失，压缩腔9进气压力为P₁-ΔP；排气压力为P₂；所述活塞1的面积为A₁，所述活塞杆4的面积为A₂。

本发明活塞式压缩机高压级平衡腔布置结构为了保证一定反向角，可做如下设置：

规定活塞杆4受拉时的活塞力方向为正，吸气过程活塞杆4受压，即F_in<0，排气过程活塞杆4受拉，即F_out>0，则压比P₂/P₁、活塞1和活塞杆4的截面积之比A₁/A₂满足：

更进一步的，本发明活塞式压缩机高压级平衡腔布置结构可以使反向角不小于15°，需要活塞杆4所受正向最大负荷和反向最大负荷的绝对值之比满足：

由此，压比P₂/P₁、活塞1和活塞杆4的截面积之比A₁/A₂、进气压力损失比ΔP/P₁满足：

本发明活塞式压缩机高压级平衡腔布置结构通过合理设计单级压比、活塞和活塞杆的截面积之比、进气压力损失比，保证反向角的存在并使其不小于15°，防止十字头销、连杆头衬套和轴瓦因供油不足产生高温烧损现象；通过设计平衡腔进出气流程，降低了平衡腔和工作腔内气体温度，改善了活塞环和填料函的工作环境，提高了其使用寿命。

以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限定，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书涵盖的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种活塞式压缩机高压级平衡腔布置结构，其特征在于：包括设置在缸体(2)两端的平衡腔(8)和压缩腔(9)，所述平衡腔(8)布置在气缸的盖侧，压缩腔(9)布置在气缸的轴侧，平衡腔(8)和压缩腔(9)所在缸体(2)的壁面均成对开孔，通过缸体(2)上所开的孔将平衡腔(8)和压缩腔(9)连通，实现进气流程上平衡腔(8)与压缩腔(9)相串联，进气经过平衡腔(8)之后再进入压缩腔(9)，通过压缩腔(9)压缩后排出压缩腔(9)。

2.根据权利要求1所述的活塞式压缩机高压级平衡腔布置结构，其特征在于：所述缸体(2)上所开的孔为通孔，平衡腔(8)的出气孔与压缩腔(9)进气孔之间通过缸体(2)外部设置的管道连通。

3.根据权利要求2所述的活塞式压缩机高压级平衡腔布置结构，其特征在于：所述平衡腔(8)的进气孔上连接有进气冷却器。

4.根据权利要求1所述的活塞式压缩机高压级平衡腔布置结构，其特征在于：所述缸体(2)的壁面对应平衡腔(8)所开的孔中，进气孔为通孔，排气孔为盲孔；所述缸体(2)的壁面对应压缩腔(9)所开的孔中，进气孔为盲孔，排气孔为通孔；所述平衡腔(8)的出气孔与压缩腔(9)进气孔之间通过开设在缸体(2)壁面上的气路通道连通。

5.根据权利要求1所述的活塞式压缩机高压级平衡腔布置结构，其特征在于：所述缸体(2)的内部设置活塞(1)，活塞杆(4)穿过所述压缩腔(9)与活塞(1)连接。

6.根据权利要求5所述的活塞式压缩机高压级平衡腔布置结构，其特征在于：当压缩腔(9)内处于吸气过程时，所述活塞杆(4)受力F_in＝(P₁-ΔP)(A₁-A₂)-P₁A₁；当压缩腔(9)内处于排气过程时，所述活塞杆(4)受力F_out＝P₂(A₁-A₂)-P₁A₁；

上式中，P₁为平衡腔(8)的压力，由于阻力损失，所述压缩腔(9)进气压力为P₁-ΔP；排气压力为P₂；所述活塞(1)的面积为A₁，所述活塞杆(4)的面积为A₂。

7.根据权利要求6所述的活塞式压缩机高压级平衡腔布置结构，其特征在于：所述活塞杆(4)受拉时的活塞力方向为正，吸气过程活塞杆(4)受压，即F_in＜0，排气过程活塞杆(4)受拉，即F_out＞0，则压比P₂/P₁、活塞(1)和活塞杆(4)的截面积之比A₁/A₂满足：

8.根据权利要求7所述的活塞式压缩机高压级平衡腔布置结构，其特征在于：所述活塞杆(4)所受正向最大负荷和反向最大负荷的绝对值之比满足：

使反向角不小于15°。

9.根据权利要求8所述的活塞式压缩机高压级平衡腔布置结构，其特征在于：所述压比P₂/P₁、活塞(1)和活塞杆(4)的截面积之比A₁/A₂、进气压力损失比ΔP/P₁满足：

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