CN1908439B - 整体式特大排量超高压活塞串联多缸多级摆动活塞压缩机 - Google Patents

Abstract

整体式特大排量超高压活塞串联多缸多级摆动活塞压缩机。根据国际专利分类表属于F01C9/00。是发明人历时36年的研究，在自己申报的六项中美专利，获第二届全国发明展银奖、日内瓦世界发明展铜奖，美国纽约世界发明展银奖，历经1974、1996年二次成功的实机实践的基础上完成的一项发明。可取代国内外活塞式、螺旋式、涡轮式压缩机，形成压缩机行业革命性的风暴。尤其在特大排量超高压方面就更为突出，在整体式单机中摆动活塞串联布置，如四个摆动活塞可形成八个缸，四个缸用作一级压缩，二个缸用做二级压缩，另外二个缸分别为第三、第四级压缩。外形容积可为现有往复式压缩机的十分之一，排量可达400立方公尺/分，排气压力可达100公斤力/平方公分，能耗低，制造成本可降低近十倍。

Description

整体式特大排量超高压活塞串联多缸多级摆动活塞压缩机

技术领域

整体式特大排量超高压活塞串联多缸多级摆动活塞压缩机，根据国际专利分类表属于F01C9/00，F02B53/00，F02B53/04。

背景技术

本发明是发明人历时36年(1970至2006年)，在自己申报的六项专利的基础上发展而来，发明集这些专利的优点，形成了一项成功的完善的发明。

这些专利是：

1、二冲程摆动活塞内燃发动机。中国专利，专利号：85100486.5。获全国第二届发明展览会银奖，获首届国际专利与新技术展览会优秀奖。

2、摆动活塞内燃发动机——四缸发动机。中国专利，专利号：87107720.5参加首届北京国际发明展，会上发明人受到党和国家领导人的接见和合影。

3、摆动活塞内燃发动机。美国专利，专利号：US4884532。获第十五届日内瓦世界发明展铜奖，获美国纽约第十四届世界发明展银牌奖。

4、摆动活塞内燃发动机全封闭密封装置。中国专利，专利号：94105413.6

5、摆动活塞压缩机。中国专利，专利号：ZL96247057.0。

6、摆动活塞压缩机端面密封装置，2006年5月15日申请发明专利，专利申请号：200610082248.2。

摆动活塞压缩机，摆动活塞压缩机端面密封装置和本发明整体式特大排量超高压活塞串联多缸多级摆动活塞压缩机是在1974年和1996年二次成功实机实践的基础上发展，经多年苦心的钻研而来，是又一种成功的机型。摆动活塞压缩机受到中国船舶工业总公司组织高级别联合论证组的论证和国防科工委的肯定和推荐。

发明内容

   发明整体结构特大排量超高压活塞串联多缸多级摆动活塞压缩机可取代国内外所有大中型各类高中压往复式压缩机、螺杆式压缩机、涡轮(径向式、轴流式)压缩机，排量可大至每分钟400立分公尺，且排量越大各项性能越加优越。排气压力可高达至100公斤/立方公分。外型容积可比相同排量往复式压缩机减少近10倍，制造成本也可成数倍的降低。

大型高压摆动活塞压缩机，需采用多个摆动活塞，多缸进气，多级压缩。现举例四个摆动活塞串联布置形成八个压缩气缸，各缸的工作特点和分工如下：

见附图2，从机首至机尾左右各四个工作气缸，机首和机尾气缸编号为①、②、③、④，①、③缸在中心轴的左边，②、④缸在中心轴的右边，此四个气缸同时用作为压缩机的进气和一级压缩。压缩机中心轴右边中心的二个气缸编号为⑤、⑥作为压缩机的二级压缩。也就是把①、②、③、④四个气缸的一级压缩空气通入此二个气缸中进行二级压缩。压缩机中心轴左边中间近机尾的一个气缸编号为⑦，作为三级压缩，也就是把⑤、⑥二个气缸中的二级压缩空气通入气缸⑦中进行三级压缩。此时气缸①、②、③、④、⑤、⑥、⑦的工作容积、结构尺寸均相同，②、④、⑤、⑥气缸在摆动活塞销的一边。剩下的气缸①、③、⑦、⑧均在摆动活塞中心轴的左边，气缸⑧工作容积和结构尺寸减少(见附图2)，将气缸⑦中三级压缩的压缩空气导入进行第四级的压缩，出口处的压缩空气可达到高压或超高压。多级压缩过程中的高温气体都需到冷却管系中进行冷却，冷却后的压缩气体可导入下一级再次进行压缩。冷却可降低压缩功(驱动机功率)的消耗，降低运行成本，提高经济效益。

当摆动活塞A、B由右向左(逆时针)摆动时，摆动活塞C，D由左向右(顺时针)摆动，此种运动方式可平衡掉相互间的摆动力偶，使运转更加的平稳。

四个摆动活塞如上所说两对活塞的相对摆动，可互相平衡掉摆动中的惯性力偶。曲轴和摆动活塞加上考虑连杆影响的平衡重进行静平衡和动平衡后，整个运动机构可达到运转中的完全平衡。摆动活塞和飞轮又到起到贮能器的作用，可大大降低零件的受力，使曲轴和整个机构运转平衡，减少振动和噪声。

每个缸头在缸盖上适量挖去一部分(立铣，磨)，用以改变压缩上始点的余隙，可改变各缸出口处的压缩压力。

大排量高压压缩机选用大尺寸的飞轮，飞轮有大的惯性力，可保证压缩机可靠的工作，此点十分的重要。

起动时为了降低起动机的配置功率，可选用放气伐，起动时各个气缸可用放气伐放气，达到工作转速后关闭放气伐各缸进入工作状态，此措施可降低起动功率。

摆动活塞可用大功率内燃发动机的活塞材料制造，可保证高的强度，缸体也用大功率内燃发动机的缸体材料制造，有高的强度和耐磨性，可保证长期可靠的工作。

大排量高压压缩机用准时齿轮，凸轮轴控制进排气门的开闭。采用大型内燃发动机的气门结构，用高强度材料制造气门。有气门、气门座、顶杆、摇臂、凸轮轴等结构。

为了更明白的解说此项发明的优点，现对其中一个单元单个摆动活塞的工作作一说明：

单个摆动活塞可构成单摆动活塞压缩机，单摆动活塞压缩机和现有技术往复式压缩机相比，同样具有曲柄连杆机构，但往复式压缩机的曲轴、连杆驱动圆筒形活塞作往复运动，摆动活塞压缩机曲轴连杆驱动摆动活塞作往复摆动，且形成二个作气缸。为此新发明的摆动活塞压缩机有如下的优点：

(1)气量大，外形尺寸小，相同的排气量和往复式压缩机相比较外形容积可减少5至10倍，相应的重量和制造成本也成倍的下降。(2)摆动活塞压缩机和往复式压缩机相比冲程较长，这一方面可提高单级压缩机的压缩压力，或降低驱动机的配置功率。(3)摆动活塞为矩形工作面，构成矩形工作容积，便于布置进、排气阀，每一气室可布置一个进气阀，一个排气阀，简化了结构。(4)摆动活塞压缩机为四连杆曲柄摆杆机构，在曲轴和摆动活塞上加平衡重就可以做到完全平衡，因而运动平衡好，振动小。(5)摆动活塞运转中起类似于飞轮贮能器的作用，在高气压区摆动活塞将以惯性平衡气体作用力，低压区摆动活塞又将贮藏的能量释放出来，因而连杆和曲柄轴承受力大大减少，降低了机件的磨损，提高了使用寿命，摆动活塞压缩机的机械效率也将高于往复式压缩机。(6)摆动活塞和支承之间用滑动轴承支承，摆动活塞和缸体除密封外不相接触，因而主要工作件磨损小，机械效率高，同时消除了往复式压缩机活塞的横向拍击声，机械噪声减小。(7)摆动活塞压缩机由一个连杆驱动一个摆动活塞构成二个工作气缸，不像往复式压缩机每个活塞和气缸单独布置，大大简化了结构。(8)摆动活塞压缩机可适用于各种排气量多种介质的压缩机，根据排气压力的高低可设计两缸单级压缩机或两缸多级压缩机。(9)摆动活塞压缩机技术成熟，是各种成熟机构的组合，在技术上无需攻克什么难点。多个摆动活塞压缩机同于此理。

2006年载人航天专家倾心于此项发明，促使发明人再次深入钻研此项技术，完善了摆动活塞压缩机最后一个关键技术，于2006年5月15日发明者申请报新专利：“摆动活塞压缩机端密封装置”。专利申请号：200610082248.2为摆动活塞压缩机的深度开发作好了准备。

1974年和1996年二次摆动活塞发动机的实机试验，为摆动活塞压缩机的设计制造提供了可靠的保证。最主要有以下几点：(1)保证了摆动活塞压缩机的运转可靠性。(2)摆动活塞压缩机适合于制造大排量，特大排量压缩机。(3)摆动活塞压缩机适合于高压、超高压压缩机。(此时进排气伐需改用发动机中用凸轮控制高强度气伐)。

为了更形象的说明这项发明，把附图1中的尺寸放大30倍，每缸工作容积475公升，外形尺寸：长×宽×高＝14×3×4公尺，外形容积为168立方公尺。四个摆动活塞，八缸，四级压缩。摆动活塞外缘行程900毫米，摆动活塞平均行程650毫米，转速196转/分，排量372立方公尺/分。压缩压力100公斤力/平方公分。第一级压缩四个缸同时进行，第二级压缩二个缸同时进行，第三级压缩在一个缸中进行，第四级压缩在缸体较小的缸中进行。摆动活塞平均线速度为4.2公尺/秒，附合正常工作的要求。以上各项指标大大优于现有压缩机所能达到的指标，能做到大容量超高压得益于压缩机整体式结构，不仅结构紧凑，刚性和强度好，而且八个缸中有四个缸用于一次进气，又能做到四级压缩。又得益于每个摆动活塞形成二个工作气缸，摆动活塞起到飞轮样的贮能器作用，这改善了机构高压下的受力，由于摆动活塞和大飞轮双重作用，使这一目的得以实现。新申请专利的密封结构，专利申请号：200610082248.2，摆动活塞压缩机端面密封装置，是保证大型超高压压缩机的实现，是另一个重要保证。

附图说明

见图1、图2

图1，整体式特大排量超高压活塞串联多缸多级摆动活塞压缩机横剖面图。

图2，整体式特大排量超高压活塞串联多缸多级摆动活塞压缩机立体示意图。图中所示为四个摆动活塞串联布置，摆动活塞又可分别用[A]、[B]、[C]、[D]予以标记，每一活塞形成二个气缸，气缸②、④、⑤、⑥在于摆动活塞销的一边。八缸中四缸进气，四级压缩。缸①、②、③、④用作一级压缩，缸⑤、⑥用作二级压缩，缸⑦用作三级压缩，缸⑧缸体容积减少，用作四级压缩。

1--曲轴，2--连杆，3--摆动活塞，又分别用[A]、[B]、[C]、[D]标记，4--摆动活塞中心轴，5--整体式缸体，6--整体式缸盖，7--整体式机座，8--进排气门，9--凸轮轴和进排气门，10--冷却水道，11--径向密封条，12--活塞销，13--曲柄轴

由图可见加工采用通用机床，镗床、车床、饱床、铣床，磨床就可完成加工，这比往复式压缩机，螺杆式压缩机，涡轮式压缩机的加工简单许多。

凸曲轴和曲轴间用准时和过桥齿轮传动，凸轴型线的设计需保证每个缸排气的通畅，且减少气体流动过程中的节流损失，根据气室容积的变化，气门均有相适应的开度和流通面积。气门类同于发动机中的气门结构，用强度耐热钢材按工艺制作。

摆动活塞压缩机总体安装步骤见图2

1、曲轴[1]装配在整体式机座[7]中

2、多个摆动活塞[3]装上径向和端面密封件，通过中心轴[4]装入整体式缸体[5]中。

3、连杆[2]小头轴承和摆动活塞[3]活塞销[12]滑动连接，连杆[2]大头轴承和曲轴[1]曲柄轴[13]滑动连接。此时整体式缸体[5]起吊在整体式机座[7]正上方，但留有人操作的空隙，此时也可由机械手帮助人手的操作。连杆安装完毕，整体式缸体[5]和机座[7]通过定位销和螺钉螺帽固紧。

4、整体式缸盖[6]中安装进排气门[8]，起吊整体式缸盖[6]，和整体式缸体[5]，通过定位销、螺钉、螺帽固紧。

5、在整体式缸盖[6]上安装凸轮系统[9]，起动放气伐。

6、在曲轴[1]前端安装飞轮，连轴节，在曲轴[1]后端安装机油泵，水泵等辅助设备。

具体实施方案  在原有的基础上从事单摆动活塞双缸压缩机样机的研制工作(已有一半以上的关键零件)，这是很大一片的商业领域，占了压缩机行业的大半个天下，再加上新申报的发明专利；摆动活塞压缩机端面密封装置，专利申请号：200610082248.2更是如虎添翼。试验机外型尺寸为长×宽×高＝0.7×0.55×0.75公尺，外型容积0.29立方公尺，单摆动活塞构成两个工作容积，每缸工作容积为3.8公升，单摆动活塞双缸每转工作容积7.6公升。吸气压力：常压，排气压力：8公斤力/平方公分(0.8Mpa)，摆动活塞外缘行程180毫米，摆动活塞平均行程130毫米，转速980转/分，排气量7.44立方公尺/分，摆动活塞外缘线速度5.8公尺/秒，摆动活塞平均线速度4.25公尺/秒。轴功率37瓦。和现有的往复式压缩机对比，在相同转速下，摆动活塞压缩机排气量增加1.24倍，单摆动活塞压缩机外型容积减少9.8倍。

单摆动活塞压缩机可用于小型压缩机、中型压缩机、大型压缩机。

现对于小排气量压缩机，中等排气量压缩机，大排气量压缩机对比如下：

排气量小于每分钟10立方公尺的小型压缩机，在两者有相同的转速980转/分，轴功率18.5千瓦，排气压力8公斤力/平方工分(0.8Mpa)。单摆动活塞压缩机排气量4.7立方公尺/分，外型尺寸长×宽×高＝650×450×650毫米，外型容积为0.9立方公尺，另一往复式压缩机排气量3立方公尺/分，外型尺寸长×宽×高＝910×1160×1100毫米，外型容积为1.16立方公尺。如按相同排气量进行对比，摆动活塞小型压缩机的外型容积减少9.56倍。

排气量在每分钟10-60立方公尺为中型压缩机。两者排气量均为每分钟20立方公尺，排气力8公斤力/平方公分(0.8Mpa)转速每分钟400转，摆动活塞中型压缩机外型尺寸长×宽×高＝850×920×1200毫米，外型容积＝0.9384立方公尺，另一往复式压缩机外型尺寸长×宽×高＝2240×1200×2330毫米，外型容积＝6.26立方公尺，两者相比摆动活塞中型压缩机外型容积减少6.67倍。

排气量每分钟60立方公尺以上为大型压缩机。两者的排气量均为每分钟100立方公尺，排气压力4公斤力/平方公分(4Mpa)，转速每分钟500转。摆动活塞大型压缩机外型容积3.37立方公尺，另一往复式空气压缩机外型尺寸长×宽×高＝5060×2070×2800毫米，外型容积＝29.38立方公尺。两者对比，摆动活塞大型压缩机外形容积减少8.7倍。

以上对比说明单摆动活塞压缩机应用范围广，比现有往复式压缩机具有明显的优点，并能带来积极的效果。

待单摆动活塞压缩机的开发工作获得成功，大排量、特大排量，高压、超高压＜整体式特大排量超高压活塞串联多缸多级摆动活塞压缩机的开发，转让工作将提到日程上来。

此项发明因有全球性的意义，申报中国专利后将向世界各国申报专利，并有把握在以后举办的世界发明展览会上拿取金奖，并将最终取代国内外各个领域中各种类型的压缩机。在本世纪二十年代就可在压缩机行业中引起一场风暴。

Claims (3)

1.一种整体式特大排量超高压活塞串联多缸多级摆动活塞压缩机，包括整体式缸体、整体式缸盖、整体式机座、曲轴、摆动活塞中心轴、连杆、径向和端面密封件、凸轮轴、进排气门，以四个摆动活塞八缸为标准型结构，其特征在于：四个摆动活塞形成八个工作气缸，第一工作气缸(1)、第二工作气缸(2)、第三工作气缸(3)、第四工作气缸(4)、第五工作气缸(5)、第六工作气缸(6)、第七工作气缸(7)、第八工作气缸(8)，其中第一、第二、第三、第四工作气缸在整台整体式压缩机的前后二端，第五、第六、第七、第八工作气缸在整台整体式压缩机的中间部位；第一工作气缸、第三工作气缸、第七工作气缸、第八工作气缸在摆动活塞中心轴的左边，第二工作气缸、第四工作气缸、第五工作气缸、第六工作气缸在摆动活塞中心轴的右边；第二工作气缸、第四工作气缸、第五工作气缸、第六工作气缸在摆动活塞活塞销的一边，第一工作气缸、第三工作气缸、第七工作气缸、第八工作气缸在摆动活塞活塞销的另一边，第一摆动活塞(A)控制第一工作气缸、第二工作气缸的工作，第二摆动活塞(B)控制第三工作气缸、第四工作气缸的工作，第三摆动活塞(C)控制第五工作气缸、第七工作气缸的工作，第四摆动活塞(D)控制第六工作气缸、第八工作气缸的工作；其中第一工作气缸、第二工作气缸、第三工作气缸、第四工作气缸对气体进行一级压缩，第五工作气缸、第六工作气缸对气体进行二级压缩，第七工作气缸对气体进行三级压缩，第八工作气缸容积减少对气体进行四级压缩，这样可保证整台压缩机有特大的排量和达到高压、超高压的要求；以第一摆动活塞(A)、第二摆动活塞(B)、第三摆动活塞(C)、第四摆动活塞(D)标注四个摆动活塞，首尾二摆动活塞第一摆动活塞(A)、第二摆动活塞(B)同向摆动，中间二摆动活塞第三摆动活塞(C)、第四摆动活塞(D)同向摆动，当第一摆动活塞(A)、第二摆动活塞(B)顺时针摆动时，第三摆动活塞(C)、第四摆动活塞(D)逆时针摆动，曲轴每转半转，摆动活塞变更一次摆动方向。

2.根据权利要求1所述的一种整体式特大排量超高压活塞串联多缸多级摆动活塞压缩机，其特征在于：四个摆动活塞形成八个工作气缸，每个工作气缸缸盖上均适量挖去一部份，用以改变压缩上始点的余隙，可改变各缸出口处的压缩压力。

3.根据权利要求1所述的一种整体式特大排量超高压活塞串联多缸多级摆动活塞压缩机,形成八个工作气缸，每个工作气缸缸盖上配置放气阀，用作降低起动功率。

Images