ES2559068B1 - Compresor de gases por pistón inercial - Google Patents

Abstract

Compresor de gases por pistón inercial que comprime un gas por medio de un pistón de material líquido o sólido, más denso que el gas a comprimir, que se desplaza libremente por el interior de un cilindro. El cilindro está dentro de un campo de fuerzas centrífugo. El citado campo lo origina la rotación del cilindro alrededor de un determinado eje central. El cilindro, además está sometido a un giro, en forma continua o periódica, sobre su eje transversal, lo que produce un cambio secuencial de la posición de sus bases en relación al campo de fuerzas centrífugo. Este cambio induce un movimiento alternativo del pistón dentro del cilindro, que al tiempo que absorbe gas en la base próxima al eje central del campo centrífugo, lo comprime sobre la base más alejada del citado eje. Las correspondientes válvulas de admisión y escape, situadas en las bases del cilindro, permiten la salida pulsante del gas comprimido.

Description

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DESCRIPCION

Compresor de gases por piston inercial.

Sectores de la tecnica a los que se refiere la invencion

A los de la compresion de todo tipo de gases para su utilization en la industria o en cualquier tipo de motor.

Estado de la tecnica

Forman parte del estado de la tecnica los siguientes sistemas de compresion de gases: De piston alternativo movido por biela-manivela en el interior de un cilindro y acoplado a un motor termico o electrico que suministra la energla necesaria para su funcionamiento. De tornillo, compuesto por un tornillo de helice giratorio, (tornillo sin fin) sobre otro fijo y conforme avanza el recorrido de la espiral comprime el espacio entre ambos. De piston llquido formado por un rotor de aletas multiples girando en una caja que no es redonda y llena parcialmente de llquido que alternativamente (dos veces por vuelta) entra y sale de los espacios entre las aletas, comprimiendo el aire existente en las bolsas entre las aletas.

Compresor de lobulos (roots) que trabaja con dos rotores acoplados, montados sobre ejes paralelos. El gas queda atrapado entre los lobulos y la carcasa y obligado a salir comprimido, por el movimiento de los rotores de la maquina. De helice o tan, son compresores centrlfugos que utilizan la aceleracion centrlfuga del gas sometido a rotation para su compresion. De paletas deslizantes, un rotor se aloja excentricamente en el interior de una caja cillndrica y al girar empuja centrlfugamente al gas contra las paredes de la caja, comprimiendose al disminuir el volumen con el giro excentrico.

Por compresion centrlpeta que utiliza piston llquido (P8602668, publication ES2002041 del 01.07.1988).

Problema tecnico planteado

Se plantea el problema de conseguir un gas a muy alta presion y caliente, en el interior de un sistema giratorio con elevada velocidad angular.

Se plantea que el propio mecanismo de compresion, quede integrado dentro del sistema en rotacion y que sus limitaciones termicas y escalones de compresion sean superiores a los actuales sistemas de compresion de gases.

Solucion propuesta

La solution trata de utilizar el campo de fuerza centrifugo del sistema en rotacion, como lo utilizan los compresores de tipo axial y de tipo radial, pero con un dispositivo de tipo alternativo como lo hacen los sistemas de piston, con el que se consiguen mayores relaciones de compresion y limitaciones termicas mas elevadas. Para ello se introduce en el campo de fuerzas centrifugo, un piston de inercia, esto es con deslizamiento libre en el interior de un cilindro. El cilindro se instala siguiendo la direction de un radio del campo de fuerzas centrifugo y con capacidad de cambiar alternativamente sus bases, dentro del

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citado campo. Esto ha de producir un movimiento alternative del piston, dentro del cilindro, si necesidad de la transmision mecanica de biela-manivela.

Explicacion de la invencion

La invencion surge ante la necesidad que tiene el autor del presente documento de utilizar un sistema de compresion de aire a muy alta presion, muy caliente y girando sobre un eje central, para inyectarlo como comburente en la camara de combustion de un motor de impulso circular (patente P201400068, adicion a la patente P2013001160).

Ninguno de los actuales sistemas de compresion del actual estado de la tecnica es valido para este proposito.

El ingenio basa su funcionamiento en la inercia de los cuerpos que les hace desplazarse hacia la periferia del giro, cuando estan sometidos a rotacion y en el incremento de la aceleracion centrlpeta directamente proporcional al radio del giro. Ello implica que la periferia de un cuerpo (solido o llquido) en rotacion, de densidad constante "d" y longitud "l" equivalente a (R-r), girando a "w" rad/segundo, ejerce una presion sobre la pared de radio R, que lo soporta igual a: (efectos de "g" para elevados "w" no significativos)

(1/2) . d . w2 . (R2 - r2) (Unidades del SI)

En el compresor, este efecto de presion lo realiza un piston (21) que puede desplazarse libremente en sentido lineal por el interior de un cilindro (20).

El cilindro esta horizontal y es solidario con un eje secundario (7) que lo hace girar alrededor de su eje transversal. Si solo existiera este movimiento, el piston estarla siempre en el centro del cilindro en equilibrio. El eje secundario (7) esta acoplado a una plataforma giratoria (11), solidariamente unida al eje central de giro (9). Esta plataforma ha de tener la resistencia mecanica necesaria para soportar al eje secundario (7) y a los mecanismos asociados al mismo, como los rodamientos axiales (13) y radiales (10) y las ruedas dentadas (6). El piston (21) en el interior del cilindro, mediante la accion combinada de la rotacion producida por el eje secundario (7) y su desplazamiento circular alrededor del eje central (9), experimenta un movimiento alternativo.

Las bases del piston que realizan estos desplazamientos, cambian cada medio giro del cilindro. El piston en su desplazamiento, al tiempo que comprime el gas que esta en el interior del cilindro en contacto con la base que se desplaza hacia la periferia, produce una aspiracion del gas en el lado del cilindro que queda mas proxima al eje central (9). Mediante las valvulas de admision (14), situadas a cada lado del cilindro y dibujadas en su generatriz inferior, y las valvulas de descarga (15) dibujadas en su generatriz superior, el gas es aspirado en la zona central, lado de baja presion del ingenio y descargado en la zona periferica, lado de alta presion. La salida del gas a alta presion se realiza por el interior del eje secundario (7) y por las juntas rotativas (18), disenadas para la temperatura y presion de trabajo del compresor. El lado fijo de estas juntas se une solidariamente con el lado giratorio de una junta rotativa (19) acoplada al eje central (9), descargando el gas a alta presion la citada junta rotativa (19) a la red de utilization.

El gas a comprimir entra por unos filtros (4) situados en la pared lateral cillndrica (1) del compresor. El motor electrico (o termico en su caso), (3) suministra la energla necesaria para el trabajo de compresion. Un sistema de transmision del movimiento circular (2)

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permite el giro del eje central (9) a la velocidad angular de diseno. El pinon dentado (5), esta solidariamente unido al soporte (23) o en su caso a la estructura fija del compresor. Este pinon dentado (5) engrana con las ruedas dentadas (6) de los ejes secundarios (7), y es concentrico con el eje central (9), pero no gira. Cuando la plataforma (11) desplaza circularmente a los ejes secundarios (7), tambien desplaza a las ruedas dentadas (6) acopladas a los mismos y este desplazamiento circular obliga a las citadas ruedas dentadas (6) a rodar sobre el pinon dentado (5), lo que produce el giro de los cilindros.

Ventajas de la invencion

Para su utilization en el motor de impulso circular (P201400068), el compresor presenta la gran ventaja de poder integrarse en el mecanismo del motor termico citado, suministrando un comburente (aire) a muy alta presion y temperatura en una sola etapa de compresion y sin movimiento relativo respecto a la camara de combustion (esferas) donde ha de ser inyectado.

En comparacion con otros compresores, en el rango de altas presiones, permite alcanzar mayores presiones, mayores volumenes de gas comprimido en la unidad de tiempo y tiene mayores valores de temperaturas y menor complejidad tecnologica, lo que incide en un mejor rendimiento energetico. El piston (21), puede ser solido o llquido, puede ser aceite, agua, glicerina, material sintetico de alta densidad y bajo coeficiente de rozamiento, metal como acero o metal como el plomo protegido por una funda de acero. Para pistones llquidos, el cilindro se llena parcialmente de llquido y su section geometrica no ha de ser necesariamente circular, puede adoptar cualquier forma poligonal ya que la estanqueidad de la compresion sobre el gas esta asegurada. En este supuesto sobre un mismo plano horizontal del eje secundario (7), pueden implementarse varios cilindros que comparten un centro comun, lleno de llquido, en el interior del citado eje. Ello consigue un incremento considerable del desplazamiento volumetrico del compresor.

Para un mismo diseno, el ratio de compresion, es directamente proporcional a la densidad del material del piston. Ello permite, instalar varios sobre el mismo eje secundario (7) verticalmente y de abajo hacia arriba, conectar la descarga de uno sobre la admision del inmediato superior, en sistema cruzado, con lo que se puede obtener en la misma maquina, varias etapas de compresion, descargando la ultima a la red exterior de utilizacion, a una altlsima presion y temperatura.

Como el movimiento del piston es inercial, no esta sometido a esfuerzos mecanicos, salvo los de la propia resistencia de materiales a la compresion, por lo que se simplifican de manera considerable, los sistemas de engrase y las perdidas derivadas de rozamientos, as! como los elevados esfuerzos cinematicos que han de soportar los sistemas de biela-manivela para muy altas presiones. SI ha de disenarse el eje secundario (7) con el momento de inercia adecuado, para soportar el momento flector en sentido radial, derivado de la carga descentrada que produce el movimiento alternativo del piston.

Un modo de realization de la invencion

El chasis o estructura de soporte del compresor se fabrica en tres partes, por un lado la base (31) y la pared lateral cillndrica (1), en chapa de acero laminada y electro soldada a la base y por otro la tapa superior (24), igualmente de acero y de la adecuada resistencia

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mecanica. En la pared lateral cillndrica (1) se practican las entradas de aire (o del gas a comprimir) y se acoplan los filtros (4) y silenciadores. Sobre la base (31), perfectamente nivelada, se fija el motor (3), el sistema de transmision del movimiento circular (2) y el soporte (23). Se instalan a continuation la arandela (25), y el pinon dentado (5). Se situa sobre la arandela (25) y concentrico al eje vertical central, el rodamiento axial (8), de las adecuadas caracterlsticas de resistencia estatica, dinamica y revoluciones, segun los requerimientos del proyecto y diseno del compresor. Mediante sistema roscado, en giro inverso a la rotation, se fija al sistema de transmision del movimiento circular (2), el eje central (9) y a continuacion el rodamiento radial (12). Con el eje central (9) instalado, se acopla la plataforma (11). Esta plataforma puede ser fabricada en una sola pieza maciza en compresores de menor tamano o bien en una estructura de vigas de acero en perfiles laminados de doble T, para tamanos superiores. Esta plataforma llevara realizados los taladros para los ejes secundarios (7) que dan soporte a los cilindros.

Una vez fijada la plataforma (11) al eje central se instalan sobre la misma los rodamientos axiales (13) y a continuacion se acoplan sobre ellos los ejes secundarios (7). Por la parte de los citados ejes que queda por debajo de la plataforma (11) se acoplan por este orden, primero los rodamientos radiales (10) con sus respectivos soportes que van solidariamente fijados a la plataforma (11) y a continuacion las ruedas dentadas (6), que al instalarlas se engranan con el pinon dentado (5) y posteriormente se fijan a sus ejes secundarios (7) mediante tornillos roscados (26) y chavetas. Antes de instalar los cilindros (20) sobre sus ejes, se verifica el correcto funcionamiento de giro y equilibrado del conjunto. Los cilindros se fabrican en acero de alto contenido de carbono y calculados para que el conjunto pueda resistir la alta presion de diseno. El piston (21) se ajusta en su interior sin importar la position en la que quede situado. Una vez engrasado y ajustado, se cierra mediante soldadura o similar, quedando un conjunto compacto que dispone de cuatro aperturas, dos en cada extremo para acoplamiento mediante rosca PNT o similar, para gas a presion de las correspondientes valvulas de admision y de descarga. El eje secundario (7) es hueco y perforado transversalmente, para que el cilindro (20) se acople al mismo en sentido horizontal. Acoplado el cilindro, se conectan las valvulas (14) y (15), las valvulas anti retorno (17) y las juntas rotativas (18). A continuacion la junta rotativa del eje central (19) y se completa la instalacion con la union neumatica de las citadas juntas y las valvulas anti retorno del tramo superior de conductos de presion. Por ultimo se cierra la tapa superior (24) que sujeta la junta rotativa central (19). Segun potencia, dispondra de sistema refrigeration, bien por convention natural, mediante aberturas en la pared lateral cillndrica (1) y tapa superior (24), o forzada mediante extractores y aletas de refrigeracion. Para muy grandes potencias sera necesario implementar sistemas de refrigeracion por agua enfriada. El engrase de rodamientos para pequenos y medianos tamanos sera suficiente con la utilization de rodamientos engrasados en fabrica de por vida. Para grandes y muy grandes potencias, el diseno del compresor requerira sistemas singulares de engrase.

Aplicacion industrial de la invention

Cualquier aplicacion industrial que requiera utilizacion de gases a alta o muy alta presion, el compresor de piston de inercia tiene aplicacion, pero ademas posee caracterlsticas que para ciertas aplicaciones compite con ventaja con los actuales, cito como ejemplo el tratamiento con gases corrosivos para metales, cilindro y piston pueden ser fabricados con materiales no metalicos, o gases que por su peligrosidad requieran estanqueidad total para ser comprimidos, incluso a alta presion, el compresor de piston inercial llquido es la solution tecnica adecuada, alternativa esta que lo hace unico en el mercado, por lo

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menos hasta donde el autor ha podido comprobar. Y por supuesto el autor lo esta fabricando para su implementation en el motor de propulsion jet e impulso circular que espera tenga aplicacion industrial en un plazo razonable.

Explication breve de los dibujos

Utilizamos la numeration secuencial de las diferentes piezas dibujadas, para la explicacion de las figuras.

La figura 1 representa una section en alzado del compresor. El compresor esta cerrado perimetralmente por una pared lateral cillndrica (1) de acero, soldada sobre una base metalica (31) circular que cierra la pared lateral cillndrica por su lado inferior y una tapa superior (24) atornillada a la pared lateral cillndrica por su lado superior. Mediante los filtros (4) y silenciadores, instalados en la pared lateral cillndrica (1), se aspira el gas a comprimir (que consideramos aire en este caso).

El motor (3) suministra la energla para el funcionamiento. Este motor, transmite el giro al eje central (9), mediante un sistema de transmision del movimiento circular (2), de relation adecuada para la velocidad angular del citado eje. Por encima del soporte (23) se instala una arandela de acero (25) que es el asiento del rodamiento axial (8). Este rodamiento soporta el peso del eje central (9) y de los mecanismos solidarios con el citado eje. Los rodamientos radiales (12) y (22) tienen sus casquillos fijos a la estructura y soportan el giro del eje en sus extremos.

La plataforma (11) esta unida al eje central (9) y gira solidariamente con el. En la citada plataforma estan acoplados los ejes secundarios (7) mediante rodamientos axiales (13) y rodamientos radiales (10). Concentrico con el eje central (9) y fijo a la estructura, esta instalado el pinon dentado (5) que engrana con la ruedas dentadas (6) que estan ajustadas, con chaveta de arrastre, sobre los ejes secundarios (7) y fijadas a los mismos mediante los tornillos roscados (26). Transversalmente a los ejes secundarios (7), estan instalados los cilindros (20), con los pistones (21) ya colocados en su interior. El movimiento de los pistones (21) produce, en el interior de los cilindros, una aspiration del gas en la proximidad al eje central y una compresion del gas en la parte del cilindro, mas alejada del eje central (16). Para el movimiento de los pistones en el interior de los cilindros pueden ser utilizados rodamientos lineales, segmentos de ajuste, casquillos antifriction, membranas elasticas o cualquier otra solution tecnologica que dependera de la naturaleza del material del piston y de las dimensiones, presion y desplazamiento volumetrico, para un compresor determinado. Cada uno de los cilindros (20) posee dos valvulas de admision (14) representadas en la generatriz inferior de los mismos y dos valvulas de descarga (15), representadas en la generatriz superior. Segun diseno estas valvulas pueden ser valvulas de muelle antagonista por presion diferencial, de bola de acero por cierre inercial, de corredera o de levas utilizando el propio movimiento lineal del piston o el giro del cilindro. Mediante conductos, rlgidos o flexibles, las valvulas citadas van acopladas a unas juntas rotativas (18) instalada en la parte superior de los ejes secundarios (7). Estas juntas rotativas acoplan, mediante conductos (27) rlgidos o flexibles a otra junta rotativa del eje central (19) instalada en el extremo superior del citado eje y, por medio de la misma, el gas a alta presion es descargado a la red de utilization o al deposito de almacenamiento.

En los conductos que canalizan el gas a alta presion, estan instaladas unas valvulas anti retomo (17).

La figura 2 representa una seccion en planta del compresor, a la altura de los cilindros. La pared lateral cilmdrica (1) cierra perimetralmente los mecanismos del interior. El eje central (9), tiene acoplada la plataforma (11) y esta a su vez, es soporte de las ruedas dentadas (6) y de los ejes secundarios (7). Sobre estos ejes secundarios estan ajustados 5 transversalmente los cilindros (20) en cuyo interior se colocan los pistones (21), los citados cilindros (20) tienen una zona de aspiracion del gas, proxima al eje central de giro y, una zona de compresion del gas, en la parte del cilindro mas alejada del eje de giro (16). La flecha (28) de la figura indica el desplazamiento circular alrededor del eje central (9) de los ejes secundarios (7), la flecha (29) indica el giro de los cilindros (20) que es 10 mucho mas lento que el giro del eje central (9) y que segun versiones de diseno, puede ser realizado en un solo escalon de transmision o en varios, en modo continuo o discontinuo y la flecha (30) indica el movimiento alternativo de los pistones (21) en el interior de los cilindros (20).

Claims (4)

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   ES 2 559 068 A1

   REIVINDICACIONES

   1. Compresor de gases por piston inercial que comprime un gas por medio de un piston (21) de material solido o llquido y mas denso que el gas a comprimir, que se desplaza de forma lineal y alternativa por el interior de un cilindro (20) y hacia una de sus bases, por la accion de un campo de fuerzas centrlfugo.

   Para ello, esta caracterizado porque dispone de un eje central (9) instalado verticalmente respecto a un plano horizontal y de un motor termico o electrico (3), que ha de suministrar la potencia necesaria para su funcionamiento. Dispone de un sistema de transmision del movimiento circular (2) al eje central (9). Dispone de un conjunto de rodamientos axiales (8) y un conjunto de rodamientos radiales (12) y (22). Contiene una plataforma (11) unida solidariamente al eje central, formada por una unica pieza o por varias en una estructura solidaria. Dispone de unos ejes secundarios (1), en numero indeterminado, instalados alrededor del eje central (9) y ocupando los vertices de un pollgono regular. Dispone de ruedas dentadas (6) acopladas a estos ejes secundarios. Dispone que estas ruedas dentadas, dependiendo del diseno, directamente o por medio de otras, engranen con un unico pinon dentado (5), concentrico con el eje central y mecanicamente unido con la estructura soporte. Dispone que los ejes secundarios (1), esten solidariamente unidos a unos cilindros (20), instalados transversal mente a estos ejes. Dispone de rodamientos axiales (13) y radiales (10), para soporte de los ejes secundarios.

   Cada uno de los cilindros (20) contiene un piston (21) de naturaleza y forma segun diseno y dispone de un sistema de desplazamiento libre, con ajuste deslizante, del piston en el interior del cilindro. Dispone de valvulas de admision (14) del gas a comprimir y valvulas de descarga (15), del gas comprimido. Dispone de tuberlas de descarga del gas comprimido, valvulas de anti retorno (17) y juntas rotativas (18) y (19) en la salida del gas comprimido. Dispone de un cuerpo envolvente de los mecanismos formado por una base circular (31), una pared lateral cillndrica (1) y una tapa superior (24). Dispone de entradas del gas a comprimir, dotadas de filtros (4) y silenciadores.
2. 2. Compresor de gases por piston inercial, segun reivindicacion 1, que utiliza para aplicaciones determinadas, un piston inercial llquido y para ello esta caracterizado por disponer de un cilindro, cuya seccion no ha de ser necesariamente circular y de un piston llquido, cuya densidad ha de ser superior a la del gas a comprimir.
3. 3. Compresor de gases por piston inercial, segun reivindicaciones 1 y 2, que usando piston llquido, puede disponer de varios cilindros sobre el mismo plano horizontal, hidraulicamente conectados en el eje secundario (7) comun y para ello esta caracterizado por disponer hueco el centro del citado eje y disponer que los cilindros esten hidraulicamente conectados con el citado hueco.
4. 4. Compresor de gases por piston inercial, segun reivindicaciones 1, 2 y 3, que puede realizar varias etapas de compresion sobre el mismo eje secundario (7) y para ello esta caracterizado por disponer varios cilindros (20), sobre el citado eje secundario comun (7), en diferentes planos horizontales. Disponer la conexion de la descarga del primero, con la admision del inmediato superior y as! sucesivamente, quedando sin interconexion, las admisiones del cilindro situado en el plano inferior y las descargas del cilindro, situadas en el plano superior, que se conectaran a sus respectivas tomas de admision del gas a comprimir y descarga del gas comprimido.