RU2098660C1

RU2098660C1 - Compressor with gas static suspension of piston and pseudoporous feeders

Info

Publication number: RU2098660C1
Application number: RU95114195A
Authority: RU
Inventors: А.П. Болштянский
Original assignee: Омский государственный технический университет
Priority date: 1995-08-08
Filing date: 1995-08-08
Publication date: 1997-12-10

Abstract

FIELD: mechanical engineering; compressors. SUBSTANCE: compressor has cylinder with piston installed in cylinder with clearance and pseudoporous feeders in form of capillary slots formed at contact of rough surfaces of piston and cylinder sleeve members pressed to each other and connected with supply source and clearance between piston and cylinder to build carrying gas layer. Above-indicated members form, all together, gas static suspension of piston with end face surfaces communicating with low pressure area. Average height of rough surface microirregularities is found from equation

where Ra is mean height of microirregularities; b is radial clearance between piston and cylinder; D is cylinder diameter; L is distance from extreme slot of gas static suspension to its end face surface; N is number of members with rough end face surfaces located at one side of axis of symmetry of piston gas static suspension; P is pressure on above-indicated members; S is yield point of member material D₁ and d are outer and inner diameters of members, respectively. EFFECT: enlarged operating capabilities. 3 dwg

Description

Изобретение относится к компрессоростроению и может быть использовано преимущественно при создании поршневых машин, к которым предъявляются высокие требования по чистоте сжимаемого газа и ресурсу работы. The invention relates to compressor engineering and can be used mainly when creating reciprocating machines, which have high demands on the purity of the compressible gas and the service life.

Известны компрессоры с газостатическим центрированием поршня и питателями в виде капилляров, равномерно расположенных по части поверхности поршня [1]
К недостатку таких конструкций следует отнести большие технологические трудности при разработке и изготовлении в связи с необходимостью создания специальных материалов, обладающих необходимой пористостью и нужными физико-механическими свойствами.Known compressors with gas-static centering of the piston and feeders in the form of capillaries evenly spaced along a part of the surface of the piston [1]
The disadvantage of such structures should include great technological difficulties in the development and manufacture in connection with the need to create special materials with the necessary porosity and the necessary physical and mechanical properties.

Известен компрессор с газостатическим подвесом поршня и псевдопористыми питателями, содержащий цилиндр с установленным в нем с зазором поршнем и псевдопористые питатели в виде капиллярных щелей, образованных при контакте шероховатых поверхностей поджатых друг к другу конструктивных элементов поршня или гильзы цилиндра и соединенных с источником питания и зазором между поршнем и цилиндром для создания несущего газового слоя [2]
Недостатком данной конструкции является неопределенность в выборе шероховатости поверхности элементов, образующих при контакте капилляры, и неизвестность усилия прижатия этих поверхностей друг к другу для достижения оптимального с точки зрения жесткости несущего газового слоя давления в зоне действия газостатического подвеса. Это обстоятельство приводит к повышению затрат при проектировании компрессора в связи с необходимостью проведения многочисленных и дорогостоящих экспериментальных работ. Кроме того, определенные экспериментально шероховатость и усилия прижатия шероховатых поверхностей не могут быть оптимальными, что снижает надежность центрирования поршня, завышает необходимый для центрирования расход газа и снижает экономичность работы компрессора, т.к. работа, затрачиваемая на центрирование при средних и высоких давлениях сжатия, может превышать 20 25% от работы цикла.A known compressor with a gas-static suspension of a piston and pseudo-porous feeders, comprising a cylinder with a piston gap installed therein and pseudo-porous feeders in the form of capillary slots formed upon the contact of rough surfaces of the piston or cylinder liner pressed against each other and connected to the power source and the gap between the power source and the gap between piston and cylinder to create a carrier gas layer [2]
The disadvantage of this design is the uncertainty in the choice of the surface roughness of the elements forming the capillaries upon contact, and the unknown force of pressing these surfaces against each other in order to achieve the optimal pressure from the point of view of rigidity of the carrier gas layer in the zone of gas-static suspension. This circumstance leads to increased costs in the design of the compressor due to the need for numerous and expensive experimental work. In addition, the experimentally determined roughness and pressing forces of rough surfaces cannot be optimal, which reduces the reliability of centering the piston, overestimates the gas flow necessary for centering, and reduces the efficiency of the compressor, as the work spent on centering at medium and high compression pressures can exceed 20 25% of the cycle.

Задачей изобретения является снижение затрат на проектирование, уменьшение расхода газа на центрирование, повышение надежности компрессора и его расхода КПД. The objective of the invention is to reduce design costs, reduce gas consumption for centering, increase the reliability of the compressor and its efficiency.

Поставленная задача решается тем, что устанавливается оптимальное с точки зрения надежности центрирования поршня и минимального расхода газа на его осуществление соотношение между средней высотой микронеровностей, геометрическими размерами и количеством элементов, из которых образуется газовый подвес поршня, зазором подвеса и свойствами материала, из которого сделаны элементы подвеса поршня в виде:

где
R_a средняя высота микронеровностей, b радиальный зазор между поршнем и цилиндром, D диаметр цилиндра, L расстояние от крайней щели газостатического подвеса до его торцовой поверхности, N количество элементов, имеющих шероховатые торцовые поверхности и находящихся по одну сторону от оси симметрии газостатического подвеса поршня, P усилие поджатия конструктивных элементов, образующих газостатический подвес поршня, S предел текучести материала, из которого сделаны элементы, образующие газостатический подвес, D₁ и d соответственно наружный и внутренний диаметры элементов, образующих газостатический подвес поршня.The problem is solved in that it establishes the optimal ratio from the point of view of reliability of the centering of the piston and the minimum gas flow for its implementation between the average height of the microroughness, the geometric dimensions and the number of elements that make up the gas suspension of the piston, the clearance of the suspension and the properties of the material from which the elements are made piston suspension in the form of:

Where
R _{a is the} average height of the microroughness, b is the radial clearance between the piston and the cylinder, D is the cylinder diameter, L is the distance from the extreme slit of the gas-static suspension to its end surface, N is the number of elements having rough end surfaces and located on one side of the axis of symmetry of the gas-static suspension of the piston, preload force P structural elements forming gasostatic suspension piston, S yield strength of the material from which are made the elements forming the suspension gasostatic, D ₁ and d, respectively, and an outer Cored oil diameters of the elements constituting the suspension gasostatic piston.

При низком отношении давления питания газостатического подвеса к давлению картера (порядка 3.4) рекомендуется использовать минимальное значение первого множителя приведенного соотношения (т.е. величину 0,8), при большом отношении давления питания к давлению картера (порядка 8.12) следует использовать максимальное значение первого множителя (т.е. величину 1, 2). With a low ratio of the supply pressure of the gas-static suspension to the crankcase pressure (about 3.4), it is recommended to use the minimum value of the first factor of the reduced ratio (i.e., 0.8), with a large ratio of the supply pressure to the crankcase pressure (about 8.12), the maximum value of the first a factor (i.e., a value of 1, 2).

Данное соотношение получено путем аппроксимации результатов математического моделирования прототипа на математической модели, адекватность которой реально протекающим физическим процессам подтверждена экспериментально. Сам вид соотношения определен из условия неразрывности потоков и массового баланса расхода газа на центрирование, а также зависимостей, определяющих расстояние между контактирующими поверхностями при упругом контакте. This ratio is obtained by approximating the results of mathematical modeling of the prototype on a mathematical model, the adequacy of which is actually proceeding to physical processes confirmed experimentally. The form of the ratio itself is determined from the conditions of continuity of flows and the mass balance of the gas flow rate for centering, as well as the dependencies that determine the distance between the contacting surfaces during elastic contact.

На фиг. 1 изображен компрессор с наружным наддувом газа в зазор газостатического подвеса, на фиг. 2 фрагмент питающих псевдопористых щелей; на фиг. 3 компрессор с внутренним наддувом газа в зазор между поршнем и цилиндром через полость поршня. In FIG. 1 shows a compressor with external pressurization of gas into the gap of a gas-static suspension, FIG. 2 fragment of feeding pseudo-porous cracks; in FIG. 3 compressor with internal gas boost in the gap between the piston and the cylinder through the piston cavity.

Компрессор состоит (см. фиг.1) из цилиндра 1 с клапанами 2 и 3, поршня 4, соединенного с механизмом привода через шток 5, и элементов симметричного газостатического подвеса 6, 7, 8, 9, имеющих на обращенных друг к другу торцовых плоскостях шероховатые поверхности, образующие при контакте капилляры. Подвод сжатого газа (возможно из ресивера самого же компрессора) осуществляется через отверстие 10, кольцевую проточку 11, паз 12 и фаски 13 на элементах 6 9 (см. также фиг.2). Сброс отработавшего в газостатическом подвесе газа осуществляется через кольцевые выточки 14, 15, образующие торцевые поверхности газостатического подвеса, и отверстия 16, 17 в зону пониженного давления (например на всасывание или в картер компрессора). Элементы 6 9 поджаты друг к другу с помощью гайки 18 с выступами 19 и контргайки 20, которая фиксирует положение гайки 18 и сохраняет усилие затяжки, определяющее силу поджатия элементов 6 9 друг к другу. Поршень 4 размещен в цилиндре 1 с зазором 21. В данном конструктивном исполнении величины D и d равны между собой. The compressor consists (see Fig. 1) of a cylinder 1 with valves 2 and 3, a piston 4 connected to a drive mechanism through a rod 5, and elements of a symmetrical gas-static suspension 6, 7, 8, 9, having end planes facing each other rough surfaces forming capillaries upon contact. The supply of compressed gas (possibly from the receiver of the compressor itself) is carried out through the hole 10, the annular groove 11, the groove 12 and the chamfer 13 on the elements 6 9 (see also figure 2). The exhaust gas discharged in the gas-static suspension is carried out through annular recesses 14, 15, which form the end surfaces of the gas-static suspension, and openings 16, 17 into the reduced pressure zone (for example, to the suction or to the compressor crankcase). The elements 6 9 are pressed against each other by means of a nut 18 with protrusions 19 and a lock nut 20, which fixes the position of the nut 18 and maintains a tightening force that determines the compressive force of the elements 6 9 against each other. The piston 4 is placed in the cylinder 1 with a gap 21. In this design, the values of D and d are equal to each other.

При наружном наддуве газа (см. фиг. 3) элементы 6 9 представляют собой наружную поверхность поршня, сцентрированы на гильзе 22 и прижаты болтом 23 через крышку 24 к основанию 25 с образованием полости питания 26, соединенной с полостью цилиндра 1 через обратный клапан 27. With external gas pressurization (see Fig. 3), the elements 6 9 represent the outer surface of the piston, are centered on the sleeve 22 and pressed by a bolt 23 through the cover 24 to the base 25 to form a supply cavity 26 connected to the cavity of the cylinder 1 through the check valve 27.

Из полости 26 газ попадает к щелевым питателям через отверстия 28 в гильзе 22. Сброс уплотняемого потока газа из цилиндра 1 мимо зоны газостатического подвеса осуществляется через кольцевую проточку 29, лыску 30, отверстие 31 и паз 32. В данном примере конструктивного исполнения величины D₁ и D равны между собой.From the cavity 26, the gas enters the slot feeders through the openings 28 in the sleeve 22. The gas stream being compressed from cylinder 1 is discharged past the gas-static suspension zone through the annular groove 29, flat 30, hole 31 and groove 32. In this example, the design values D ₁ and D are equal to each other.

Компрессор работает следующим образом (см. фиг. 1). При возвратно-поступательном движении поршня 4 объем цилиндра 1 изменяется, что приводит к всасыванию газа через клапан 2, его сжатия и подаче потребителю через клапан 3. Кроме того, газ (от постороннего источника питания или от ресивера самого же компрессора) через отверстие 10, выточку 11, паз 12 и фаски 13 попадает в капилляры, образованные при сжатии шероховатых поверхностей элементов 6 9, где его давление понижается, после чего он попадает в зазор 21, создавая в нем несущий газовый слой газостатического подвеса поршня 4, предотвращающий контакт между поршнем 4 и цилиндром 1. Отработанный в газостатическом подвесе газ через проточки 14, 15 и отверстия 16, 17 сбрасывается в зону пониженного давления. В конструкции, изображенной на фиг.3 питание подвеса осуществляется из полости 26, в которую газ под давлением нагнетания попадает из цилиндра 1 через клапан 27. Отработанный в газостатическом подвесе газ смешивается с утечками и через проточку 29, лыску 30 и отверстие 31 сбрасывается в картер компрессора. The compressor operates as follows (see Fig. 1). With the reciprocating movement of the piston 4, the volume of the cylinder 1 changes, which leads to the absorption of gas through the valve 2, its compression and supply to the consumer through the valve 3. In addition, the gas (from an external power source or from the receiver of the compressor itself) through the hole 10, the groove 11, the groove 12 and the chamfers 13 fall into the capillaries formed by compressing the rough surfaces of the elements 6 9, where its pressure decreases, after which it falls into the gap 21, creating a gas-bearing suspension of the gas-static suspension of the piston 4 in it, which prevents contact ezhdu piston 4 and the cylinder 1. The exhaust gas-static suspension in the gas through the bore 14, 15 and holes 16, 17 is discharged into the low pressure zone. In the design shown in FIG. 3, the suspension is powered from a cavity 26 into which gas under injection pressure enters from cylinder 1 through valve 27. The gas worked out in the gas-static suspension is mixed with leaks and through groove 29, flange 30 and hole 31 are discharged into the crankcase compressor.

Вышеприведенное соотношение геометрических параметров газостатического подвеса поршня, величины шероховатости и количества элементов, обеспечивающих дросселирование газа в зазор подвеса, механических свойств материала этих элементов и усилия их стяжки обеспечивает оптимальное соотношение между давлением наддува и давлением в несущем слое газостатического подвеса в зоне истечения газа в зазор через щелевые псевдопористые питатели равное 0,65 - 0,75, при котором цилиндрический газостатический подвес имеет максимальную жесткость при минимальном расходе газа на центрирование, что обеспечивает, к тому же, минимальные утечки сжимаемого компрессором газа, т.к. снижение жесткости приводит к увеличению эксцентриситета положения поршня в цилиндре и существенному (до 2,5 раз) увеличению утечек. The above ratio of the geometrical parameters of the gas-static suspension of the piston, the roughness value and the number of elements providing gas throttling in the suspension gap, the mechanical properties of the material of these elements and the efforts of their screed provides the optimal ratio between the boost pressure and the pressure in the carrier layer of the gas-static suspension in the gas outflow zone into the gap through slotted pseudo-porous feeders equal to 0.65 - 0.75, in which the cylindrical gas-static suspension has maximum rigidity at minimum gas consumption for centering, which ensures, moreover, minimal leakage of gas compressed by the compressor, since a decrease in stiffness leads to an increase in the eccentricity of the position of the piston in the cylinder and a significant (up to 2.5 times) increase in leaks.

Таким образом предложенное техническое решение позволяет значительно сократить затраты на проектирование компрессора, повысить его надежность и экономичность. Thus, the proposed technical solution can significantly reduce the cost of designing a compressor, increase its reliability and efficiency.

Claims

A compressor with gas-static piston centering and pseudo-porous feeders, comprising a cylinder with a piston gap installed therein and pseudo-porous feeders in the form of capillary slots formed upon the contact of rough surfaces of the piston or sleeve structural elements pressed against each other and connected to the power source and the gap between the piston and cylinder to create a carrier gas layer, and the aforementioned structural elements together form a gas-static suspension of the piston with end surfaces E connected to a low pressure region, characterized in that the average height of microroughness rough surfaces defined by the expression

where R _{d the} average height of the microroughness;
b radial clearance between the piston and the cylinder;
D cylinder diameter;
L is the distance from the extreme slit of the gas-static suspension to its end surface;
N is the number of elements having rough end surfaces and located on one side of the axis of symmetry of the gas-static suspension of the piston;
P is the preload force of the structural elements forming the gas-static suspension of the piston;
S the yield strength of the material of the structural elements forming the gas-static suspension of the piston;
D ₁ and d, respectively, the outer and inner diameters of the elements forming the gas-static suspension of the piston.