RU2116507C1

RU2116507C1 - Contact-free compressor with gas-static alignment of piston

Info

Publication number: RU2116507C1
Application number: RU96115877A
Authority: RU
Inventors: А.П. Болштянский
Original assignee: Омский государственный технический университет
Priority date: 1996-07-31
Filing date: 1996-07-31
Publication date: 1998-07-27

Abstract

FIELD: compressor equipment. SUBSTANCE: proposed device is meant for compression of gas and can be used in small-capacity piston compressors. Cylindrical pair of compressor is manufactured in the form of gas-static suspension. Contact-free sealing ring made from antifriction material and having coefficient of thermal expansion bigger than those of materials of cylinder and piston is installed in upper part of piston. Ring is solid and has outer diameter equal to or smaller than diameter of surface of piston to form gas-static suspension with internal surface of cylinder. Cylindrical collect chuck which tabs rest against internal surface of sealing ring can be positioned in piston concentric to its outer surface. Coefficient of thermal expansion of sealing ring is chosen from certain relation. EFFECT: increased reliability and efficiency of compressor as result of such make of sealing. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к компрессоростроению и может быть использовано при создании высокоэкономичных, преимущественно малорасходных поршневых компрессоров, сжимающих чистые газы. The invention relates to compressor engineering and can be used to create highly economical, mainly low-displacement reciprocating compressors compressing clean gases.

Известен бесконтактный компрессор с газостатическим центрированием поршня, содержащий цилиндропоршневую пару, выполненную в виде газостатического подвеса [1]. Known non-contact compressor with a gas-static centering of the piston, containing a cylinder-piston pair, made in the form of a gas-static suspension [1].

Известен также бесконтактный компрессор с газостатическим центрированием поршня, содержащий цилиндропоршневую пару, выполненную в виде газостатического подвеса, причем в верхней части поршня установлено уплотнительное кольцо, не входящее в контакт со стенками цилиндра [2]. Also known is a non-contact compressor with gas-static centering of a piston, containing a piston-cylinder pair made in the form of a gas-static suspension, and a sealing ring is installed in the upper part of the piston that does not come into contact with the cylinder walls [2].

Недостатком известных компрессоров является неизбежно сложная конструкция уплотнительного кольца, которое с целью адаптации к изменению диаметра цилиндра при его температурном расширении выполнено разрезным и снабжено устройствами для обеспечения бесконтактной работы в виде элементов газостатических радиальных и торцевых опор, нуждающихся в затратах сжатого газа для обеспечения работоспособности. Это обстоятельство не дает реальной возможности создавать малорасходные компрессоры в диаметром поршня 30-50 мм и менее, а между тем именно к малорасходным компрессорам чаще всего предъявляются высокие требования к чистоте сжимаемого газа (холодильная, микрокриогенная техника). A disadvantage of the known compressors is the inevitably complicated design of the o-ring, which, in order to adapt to the change in the diameter of the cylinder during its thermal expansion, is split and equipped with devices for ensuring contactless operation in the form of elements of gas-static radial and end bearings, which require compressed gas to ensure operability. This circumstance does not make it possible to create low-consumption compressors with a piston diameter of 30-50 mm or less, and meanwhile, low-consumption compressors are often faced with high demands on the purity of the compressible gas (refrigeration, microcryogenic equipment).

Кроме того, необходимость затрат газа на обеспечение работоспособности элементов уплотнительного кольца существенно снижает эффективность его применения как устройства для снижения потерь энергии от утечек. In addition, the need for gas costs to ensure the operability of the elements of the o-ring significantly reduces the effectiveness of its use as a device to reduce energy losses from leaks.

Еще одним не менее важным отрицательным обстоятельством является полная неработоспособность уплотнений в известных конструкциях в период запуска компрессора, когда отсутствует сжатый газ для обеспечения газостатического подвеса элементов кольца. Это неизбежно приводит к их хаотическому движению с активным трением и возможностью заклинивания при неудачном расположении в канавке поршня. Another no less important negative circumstance is the complete inoperability of the seals in the known structures during the compressor start-up period when there is no compressed gas to provide a gas-static suspension of the ring elements. This inevitably leads to their chaotic movement with active friction and the possibility of jamming if the piston is not located in the groove well.

Задачей изобретения является повышение экономичности, надежности и расширение области применения. The objective of the invention is to increase the efficiency, reliability and expansion of the scope.

Поставленная задача решается тем, что в известном компрессоре уплотнительное кольцо изготовлено из антифрикционного материала, имеющего коэффициент теплового расширения (КТР) больший, чем КТР цилиндра и больший, чем КТР поршня, выполнено неразрезным, а его наружный диаметр равен или меньше диаметра поверхности поршня, образующей с внутренней поверхностью цилиндра газостатический подвес. При этом в поршне концентрично его наружной поверхности может быть установлена цилиндрическая цанга, рабочие лепестки которой уперты во внутреннюю поверхность уплотнительного кольца. КТР уплотнительного кольца α_к может быть определен из соотношения

где
D_ц и D_к - соответственно внутренний диаметр цилиндра и внешний диаметр кольца до запуска компрессора (в состоянии изготовления);
α_ц - коэффициент теплового расширения материала цилиндра;
Δt_ц,Δt_п - соответственно абсолютная разность температуры стенок цилиндра и поршня до пуска компрессора (температура окружающей среды) и после выхода на установившийся тепловой режим.The problem is solved in that in the known compressor the sealing ring is made of antifriction material having a thermal expansion coefficient (KTP) greater than the KTP of the cylinder and greater than the KTP of the piston, made continuous, and its outer diameter equal to or less than the diameter of the piston surface forming with the inner surface of the cylinder gas-static suspension. In this case, a cylindrical collet can be installed in the piston concentrically on its outer surface, the working petals of which are abutted on the inner surface of the sealing ring. KTR of the sealing ring α _to can be determined from the ratio

Where
D _i and D _k - respectively the internal diameter of the cylinder and the outer diameter of the ring to start the compressor (in a state of manufacturing);
α _c - coefficient of thermal expansion of the material of the cylinder;
Δt _c , Δt _p - respectively, the absolute temperature difference between the walls of the cylinder and the piston before starting the compressor (ambient temperature) and after reaching the established thermal regime.

Температуры стенок цилиндра и поршня после выхода на установившийся тепловой режим могут быть определены экспериментально на этом же компрессоре без уплотнительного кольца или с разрезным кольцом из самосмазывающихся материалов, например на основе политетрафторэтилена (Ф4К15, Ф4К20 и др.), обычной конструкции. The temperatures of the walls of the cylinder and piston after reaching the established thermal regime can be determined experimentally on the same compressor without a sealing ring or with a split ring made of self-lubricating materials, for example, based on polytetrafluoroethylene (F4K15, F4K20, etc.), of a conventional design.

На фиг. 1 изображено сечение цилиндропоршневой пары компрессора с внутренним (через полость поршня) подводом сжатого газа для питания газового подвеса поршня; на фиг. 2 - то же с наружным подводом газа; на фиг. 3 - конструкция цилиндропоршневой пары, в которой поршень имеет цангу для поддержки уплотнительного кольца. На фиг. 1 - 3 слева от осевой линии показано сечение цилиндропоршневой группы в исходном состоянии, справа от осевой линии - после выхода компрессора на стационарный тепловой режим. In FIG. 1 shows a cross section of a cylinder-piston pair of a compressor with an internal (through the piston cavity) supply of compressed gas to power the gas suspension of the piston; in FIG. 2 - the same with an external gas supply; in FIG. 3 is a design of a cylinder-piston pair in which the piston has a collet to support the o-ring. In FIG. 1-3, the section of the cylinder-piston group in the initial state is shown to the left of the axial line, to the right of the axial line after the compressor reaches the stationary thermal mode.

Компрессор состоит (см. фиг. 1) из цилиндра 1, в котором с зазором 2 размещен поршень 3, имеющий полость питания 4, соединенную с камерой сжатия 5 через обратный клапан 6, размещенный в крышке 7. Полость 4 соединена с зазором 2 через дроссели 8, в корпусе поршня 3 имеется по крайней мере одна выточка 9, в которой установлено неразрезное кольцо 10, выполненное из материала, обладающего антифрикционными свойствами по отношению к материалу цилиндра 1 и имеющее КТР больший, чем материал цилиндра 1 и поршня 3. Так, например, если цилиндр 1 выполнен из чугуна, а поршень 3 из стали, то кольцо 10 может быть выполнено из бронзы. Привод возвратно-поступательного движения поршня 3 осуществляется через шток 11. The compressor (see Fig. 1) consists of a cylinder 1, in which a piston 3 is placed with a gap 2, having a supply cavity 4 connected to the compression chamber 5 through a check valve 6 located in the cover 7. The cavity 4 is connected to the gap 2 through throttles 8, in the piston body 3 there is at least one recess 9, in which a continuous ring 10 is installed, made of a material having antifriction properties with respect to the material of the cylinder 1 and having a KTP larger than the material of the cylinder 1 and the piston 3. So, for example if cylinder 1 is made of cast iron, and p If the cuff is 3 made of steel, then the ring 10 can be made of bronze. The reciprocating motion of the piston 3 is carried out through the rod 11.

Компрессор, изображенный на фиг. 2, имеет полость питания 12, выполненную, например, в виде выточки 13 в цилиндре 1 и перекрытую гильзой 14, через отверстие 15 которой сжатый газ подается к дросселям 8, размещенным в стенках цилиндра 1. The compressor shown in FIG. 2, has a power cavity 12, made, for example, in the form of a recess 13 in the cylinder 1 and blocked by a sleeve 14, through the opening 15 of which compressed gas is supplied to the throttles 8 located in the walls of the cylinder 1.

Компрессор, изображенный на фиг. 3, имеет дополнительно цилиндрическую цангу, рабочие лепестки 16 которой уперты во внутреннюю поверхность кольца 10 и изготовлены (в свободном состоянии) концентрично наружной поверхности 17 поршня 3, образованной в данном примере гильзой 18, в которой размещены дроссели 8. The compressor shown in FIG. 3, has an additional cylindrical collet, the working petals 16 of which are abutted on the inner surface of the ring 10 and made (in a free state) concentrically on the outer surface 17 of the piston 3, formed in this example by a sleeve 18, in which the chokes 8 are placed.

Компрессор (см. фиг. 1) работает следующим образом. При возвратно-поступательном движении поршня 3 происходит изменение давления в камере 5, в результате чего рабочее тело (газ) всасывается, сжимается и вытесняется потребителю. Кроме того, сжатый газ через клапан 6 попадает в полость 4 и истекает из нее через дроссели 8 в зазор 2, создавая тем самым несущий газовый слой, предотвращающий контакт между поршнем 3 и цилиндром 1. The compressor (see Fig. 1) operates as follows. With the reciprocating movement of the piston 3, a pressure change occurs in the chamber 5, as a result of which the working fluid (gas) is sucked in, compressed and displaced by the consumer. In addition, the compressed gas through the valve 6 enters the cavity 4 and flows out of it through the orifice 8 into the gap 2, thereby creating a carrier gas layer that prevents contact between the piston 3 and the cylinder 1.

В период запуска компрессора, когда тело поршня 3 и цилиндра 1 не нагрето, а в полости 4 нет давления, достаточного для центрирования поршня 3, поршень 3 под действием боковых сил, возникающих в связи с появлением перепада давления на поршне 3 и неизбежным наличием зазоров и перекосов в механизме привода, и инерционных сил, возникающих в связи с вибрацией компрессора или существующих в связи с вибрациями объекта, на котором он установлен, прижимается к поверхности цилиндра 1. В этом момент кольцо 10 не препятствует поперечным перемещениям поршня 3, так как его диаметр меньше или равен диаметру наружной поверхности поршня 3, в связи с чем поршень 3 имеет возможность контактировать с цилиндром 1 по всей своей боковой поверхности и не перекашиваться. Данное обстоятельство позволяет избежать повреждений высокоточнообработанных поверхностей поршня 3 и цилиндра 1. Кроме того, отсутствие в этот период работы компрессора существенного уплотнения поршня (уплотняющая верхняя часть сравнительно коротка) позволяет иметь достаточно большие утечки, что способствует более плавному увеличению конечного давления в камере 5 и лучшему переносу теплоты вдоль образующей цилиндра 1. Последнее обстоятельство позволяет в период запуска организовать более плавное и равномерное по длине поршня 3 и цилиндра 1 изменение теплонапряженности конструкции, не допустить значительных искажений формы зазора 2 и тем самым использовать минимально возможный зазор 2, повысив тем самым экономичность компрессора. During the start-up of the compressor, when the body of the piston 3 and cylinder 1 is not heated, and in the cavity 4 there is no pressure sufficient to center the piston 3, the piston 3 under the action of lateral forces arising from the appearance of a pressure drop across the piston 3 and the inevitable presence of gaps and distortions in the drive mechanism, and inertial forces arising in connection with the vibration of the compressor or existing in connection with the vibrations of the object on which it is mounted, is pressed to the surface of the cylinder 1. At this point, the ring 10 does not interfere with the transverse movements of the piston 3, since its diameter is less than or equal to the diameter of the outer surface of the piston 3, and therefore the piston 3 has the ability to contact with the cylinder 1 along its entire lateral surface and not warp. This circumstance avoids damage to the highly machined surfaces of the piston 3 and cylinder 1. In addition, the absence of a significant piston seal during this period of operation of the compressor (the sealing upper part is relatively short) allows for sufficiently large leaks, which contributes to a smoother increase in the final pressure in the chamber 5 and better the transfer of heat along the generatrix of cylinder 1. The latter circumstance allows us to organize a smoother and more uniform piston 3 and qi along the start-up period Ndra 1 change the thermal stress of the structure, to prevent significant distortion of the shape of the gap 2 and thereby use the minimum possible gap 2, thereby increasing the efficiency of the compressor.

В дальнейшем конечное давление в камере 5 вырастает до номинального и полость 4 получает газ под давлением, необходимым для организации бесконтактной работы поршня 3 в цилиндре 1. В то же время происходит нагрев цилиндра 1, поршня 3 и крышки 7, в результате чего температура кольца 10 повышается и вследствие того, что КТР материала, из которого оно изготовлено, выше КТР материала цилиндра 1, диаметр кольца 10 увеличивается больше, чем диаметр цилиндра 1, и наружная поверхность кольца приближается к поверхности цилиндра 1, создавая таким образом нормальное кольцевое уплотнение. Subsequently, the final pressure in the chamber 5 rises to the nominal one and the cavity 4 receives gas under the pressure necessary for organizing the contactless operation of the piston 3 in the cylinder 1. At the same time, the cylinder 1, piston 3, and cover 7 are heated, as a result of which the temperature of ring 10 increases due to the fact that the KTR of the material from which it is made is higher than the KTP of the material of cylinder 1, the diameter of the ring 10 increases more than the diameter of the cylinder 1, and the outer surface of the ring approaches the surface of the cylinder 1, thereby creating norms o-ring seal.

В общем случае увеличение диаметра кольца 10 ограничено максимальным диаметром цилиндра 1, который он приобретает при полном прогреве, и дальнейшее увеличение диаметра кольца 10 приводит к его приработке путем износа, который происходит до тех пор, пока процесс увеличения диаметра кольца 10 не закончится. В результате приработки диаметр полностью прогретого кольца 10 оказывается меньше диаметра полностью прогретого цилиндра 1 на величину удвоенного максимального эксцентриситета, с которым поршень движется вдоль оси цилиндра. In general, the increase in the diameter of the ring 10 is limited by the maximum diameter of the cylinder 1, which it acquires upon full heating, and a further increase in the diameter of the ring 10 leads to its running-in by wear, which occurs until the process of increasing the diameter of the ring 10 is completed. As a result of running-in, the diameter of the fully heated ring 10 is less than the diameter of the fully heated cylinder 1 by the value of twice the maximum eccentricity with which the piston moves along the axis of the cylinder.

Последнее обстоятельство послужило основанием для вывода уравнения (1), которое получено из условия максимального приближения диаметра кольца 10 к диаметру цилиндра 1 после их полного прогрева с учетом неизбежного наличия эксцентриситета положения поршня 3 в цилиндре 1. При реализации соотношения (1) процесса приработки не происходит и имеется возможность получения сразу минимально возможного зазора в кольцевом уплотнении, что весьма ценно при использовании сравнительно твердых материалов для кольца 10, т.к. в процессе приработки в этом случае может произойти заметный износ зеркала цилиндра 1, что отрицательно скажется на характеристиках газового подвеса поршня. The latter circumstance served as the basis for the derivation of equation (1), which was obtained from the condition of maximum approximation of the diameter of the ring 10 to the diameter of the cylinder 1 after they are completely heated, taking into account the inevitable presence of the eccentricity of the position of the piston 3 in cylinder 1. When the relationship (1) is implemented, the running-in process and there is the possibility of immediately obtaining the smallest possible gap in the ring seal, which is very valuable when using relatively hard materials for ring 10, because during running-in, in this case, noticeable wear of the mirror of cylinder 1 can occur, which will adversely affect the characteristics of the gas suspension of the piston.

Работа компрессора, изображенного на фиг. 2, происходит аналогично и пояснений не требует. The operation of the compressor of FIG. 2 occurs similarly and requires no explanation.

Особенностью конструкции, изображенной на фиг. 3, является использование упругих сил лепестков 16 цанги для удержания кольца 10 в концентричном положении на всех стадиях работы компрессора, поскольку при регулировании производительности компрессора методом "пуск - остановка" в период остановки поршень 3 может оказаться опертым на стенку цилиндра 1, и кольцо в конструкциях, изображенных на фиг. 1 и 2, в этом случае выйдет из концентричного положения, что приведет его в процессе повторного пуска к касанию в течение некоторого времени о зеркало цилиндра 1 и соответствующему износу. The design feature shown in FIG. 3, the use of the elastic forces of the collet petals 16 to hold the ring 10 in concentric position at all stages of the compressor operation, since when controlling the compressor performance by the start-stop method during the stop period, the piston 3 may be supported on the wall of cylinder 1, and the ring in the structures depicted in FIG. 1 and 2, in this case, will exit from the concentric position, which will lead it in the process of restarting to touch for some time about the mirror of cylinder 1 and the corresponding wear.

Таким образом, предложенные конструкции бесконтактного компрессора с газостатическим центрированием поршня позволяют при предельной простоте конструкции обеспечить ей высокие, близкие к максимально-возможным экономичность и надежность, существенно расширить область применения компрессора в установках, требующих малые расходы сжатого газа при высоких экономичности и надежности. Thus, the proposed design of a non-contact compressor with gas-static centering of the piston allows, with extreme simplicity of design, to provide it with high, close to the maximum possible cost-effectiveness and reliability, to significantly expand the scope of the compressor in installations requiring low consumption of compressed gas with high efficiency and reliability.

Claims

1. A non-contact compressor with gas-static piston centering, containing a piston-cylinder pair made in the form of a gas-static suspension, and a non-contact sealing ring is installed in the upper part of the piston, characterized in that the sealing ring is made of an antifriction material having a thermal expansion coefficient greater than the thermal expansion coefficient the piston material is continuous, and its outer diameter is equal to or less than the diameter of the piston surface forming internally th cylinder surface gas-static suspension.

2. The compressor according to claim 1, characterized in that a cylindrical collet is installed in the piston concentrically on its outer surface, the working blades of which are abutted on the inner surface of the sealing ring.

3. The compressor according to claim 1, characterized in that the coefficient of thermal expansion of the sealing ring a _to is selected from the ratio

where D _i and D _k - respectively the internal diameter of the cylinder and the outer diameter of the ring at ambient temperature;
a _C is the coefficient of thermal expansion of the material of the cylinder;
Δt _c , Δt _p - respectively, the absolute difference in the temperature of the walls of the cylinder and piston before starting the compressor, when it is equal to the ambient temperature, and after reaching a steady state thermal regime;
e _max - the maximum absolute eccentricity of the piston in the cylinder.