RU2578758C1

RU2578758C1 - Piston pump-compressor

Info

Publication number: RU2578758C1
Application number: RU2015106461/06A
Authority: RU
Inventors: Александр Павлович Болштянский; Виктор Евгеньевич Щерба; Сергей Юрьевич Кайгородов; Диана Анатольевна Кузеева; Евгений Александрович Павлюченко
Priority date: 2015-02-25
Filing date: 2015-02-25
Publication date: 2016-03-27

Abstract

FIELD: pumps.

SUBSTANCE: invention relates to pump-and compressor building. Pump-compressor comprises cylinder 1, trunk piston 3, compressor cavity 4 with valves 5 and 6. Cylinder 1 is mounted on crankcase 7, which is connected with cooling jacket 11 and via check valve 12 -with the fluid consumer, and, via heat exchanger 13 - with fluid source. Cooling Jacket 11 is made in the shape of circular cylinder 14 open towards crankcase 7. Piston 3 is equipped with additional annular piston 15 providing for a possibility of its movement with clearances 16 and 17 in circular cylinder 14 making pump cavity 18. Due to intensive cooling and reduced gas leaks there is achieved a higher efficiency of compressor cavity 4 and it becomes possible to obtain high pressure of the liquid without contamination of the compressed gas.

EFFECT: can be used in production of volumetric action hybrid piston machines primarily with low and medium capacity, intended for compression and delivery to the consumer, simultaneously or alternately, of liquids and gases.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области насосо- и компрессоростроения и может быть использовано при создании поршневых машин объемного действия преимущественно малой и средней производительности, предназначенных для сжатия и подачи потребителю одновременно или попеременно жидкостей и газов.The invention relates to the field of pump and compressor engineering and can be used to create reciprocating volumetric piston machines with predominantly small and medium capacity, designed to compress and supply liquids and gases simultaneously or alternately to the consumer.

Известен поршневой насос-компрессор, содержащий картер, цилиндр и поршень с образованием компрессорной и насосной полости, которые соединены с источником и потребителем соответственно газа и жидкости с помощью обратных самодействующих газовых и жидкостных клапанов (см. патент РФ на ПМ №118371, МПК F04B 19/06 от 20.07.2012).Known piston pump-compressor, containing the crankcase, cylinder and piston with the formation of the compressor and pump cavities, which are connected to the source and consumer, respectively, of gas and liquid using self-acting reverse gas and liquid valves (see RF patent for PM No. 118371, IPC F04B 19 / 06 dated July 20, 2012).

Известен также поршневой насос-компрессор, содержащий цилиндр и размещенный в нем с зазором тронковый поршень с образованием компрессорной и насосной полости, которые соединены с источником и потребителем соответственно газа и жидкости с помощью обратных самодействующих газовых и жидкостных клапанов, а также картер с рабочей жидкостью, соединенный с рубашкой охлаждения цилиндра (см. патент РФ на ПМ №125635, МПК F04B 19/06 от 10.03.2013).A piston pump-compressor is also known, comprising a cylinder and a tron piston placed therein with a gap to form a compressor and pump cavity, which are connected to a source and consumer of gas and liquid, respectively, using self-acting gas and liquid valves, as well as a crankcase with a working fluid, connected to the cylinder cooling jacket (see RF patent for PM No. 125635, IPC F04B 19/06 of 03/10/2013).

К недостатку первых относятся большие осевые габариты и большая материалоемкость, а также склонность к поперечной вибрации и является причиной возникновения кавитационных процессов, что приводит к снижению ресурса работы. Недостатком конструкций второго типа является невозможность работы с жидкостями под высоким давлением, т.к. это давление находится в картере машины, что чрезвычайно затрудняет уплотнение приводного коленчатого вала, а также плоских стыков конструкции (например - стыка между цилиндром и картером). Кроме того, при высоком давлении жидкости (выше 5 МПа) к материалу картера (а это обычно - литье) предъявляются большие требования по прочности, что усложняет технологию отливки, либо его стенки приходится делать большой толщины, что ухудшает такой показатель, как материалоемкость конструкции. Следует также отметить сравнительно большие утечки газа через зазор между поршнем и цилиндром в процессе сжатия-нагнетания в компрессорной полости, т.к. в это время в насосной полости, отделенной от компрессорной полости зазором, происходит процесс всасывания, т.е. давление жидкости низкое, и она не может препятствовать утечкам газа. В то же время в процессе сжатия-нагнетания жидкости, когда в компрессорной полости происходит всасывание, жидкость может проникать через зазор между поршнем и цилиндром в больших количествах и загрязнять сжимаемый газ, и даже приводить к гидроудару. Все это вместе взятое не дает возможности сжимать жидкость под большим давлением (5 МПа и выше), снижает КПД компрессорной полости и ухудшает массогабаритные показатели машины.The disadvantage of the former includes large axial dimensions and high material consumption, as well as a tendency to transverse vibration and is the cause of cavitation processes, which leads to a decrease in the service life. The disadvantage of the constructions of the second type is the inability to work with liquids under high pressure, because this pressure is located in the crankcase, which makes it extremely difficult to seal the drive crankshaft, as well as flat joints of the structure (for example, the joint between the cylinder and the crankcase). In addition, at high fluid pressure (above 5 MPa), the crankcase material (and this is usually casting) has great strength requirements, which complicates the casting technology, or its walls have to be made thick, which worsens an indicator such as the material consumption of the structure. It should also be noted relatively large gas leaks through the gap between the piston and the cylinder during compression-injection in the compressor cavity, because at this time, a suction process takes place in the pump cavity, separated by a gap from the compressor cavity, i.e. fluid pressure is low and cannot prevent gas leaks. At the same time, in the process of compression-injection of the liquid, when suction occurs in the compressor cavity, the liquid can penetrate through the gap between the piston and the cylinder in large quantities and contaminate the compressible gas, and even lead to water hammer. All this taken together makes it impossible to compress the liquid under high pressure (5 MPa and higher), reduces the efficiency of the compressor cavity and affects the overall dimensions of the machine.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей в сторону увеличения давления рабочей жидкости, снижение массы конструкции и повышение КПД компрессорной полости.The objective of the invention is to expand the functionality in the direction of increasing the pressure of the working fluid, reducing the mass of the structure and increasing the efficiency of the compressor cavity.

Указанная цель достигается тем, что в известной конструкции поршневого насос-компрессора рубашка охлаждения выполнена в виде кольцевого цилиндра, открытого в сторону картера, а тронковый поршень снабжен дополнительным кольцевым поршнем с возможностью его перемещения с зазором в упомянутом кольцевом цилиндре с образованием в нем насосной полости, причем верхняя часть этой полости соединена через обратные клапаны с картером и с потребителем жидкости. В нижней части тронкового поршня может быть установлен тарированный дроссель или тарированный дроссель и регулируемый предохранительный переливной клапан, которые соединяют полость, образованную наружной поверхностью тронкового поршня и внутренней поверхностью кольцевого поршня, с картером.This goal is achieved by the fact that in the known design of the piston pump compressor, the cooling jacket is made in the form of an annular cylinder open towards the crankcase, and the tron piston is equipped with an additional annular piston with the possibility of its movement with a gap in the said annular cylinder with the formation of a pump cavity in it, moreover, the upper part of this cavity is connected through check valves to the crankcase and to the consumer fluid. A calibrated throttle or calibrated throttle and an adjustable safety relief valve that connect the cavity formed by the outer surface of the tron piston and the inner surface of the annular piston to the crankcase can be installed in the lower part of the tron piston.

Сущность изобретения поясняется чертежом.The invention is illustrated in the drawing.

На чертеже схематично изображено продольное сечение поршневого насос-компрессора, который содержит цилиндр 1 и размещенный в нем с зазором 2 тронковый поршень 3 с образованием компрессорной полости 4, которая соединена с источником и потребителем газа с помощью обратных самодействующих газовых клапанов: клапан 5 - всасывающий, клапан 6 - нагнетательный. Цилиндр 1 установлен на картере 7, частично заполненном рабочей жидкостью, который через фильтр 8, линию всасывания 9 и обратный клапан 10 соединен с рубашкой охлаждения 11 цилиндра 1 и далее - через обратный клапан 12 - с потребителем жидкости, а через теплообменник 13 картер 7 соединен с источником рабочей жидкости. Рубашка охлаждения 11 выполнена в виде кольцевого цилиндра 14, открытого в сторону картера 7, а тронковый поршень 3 снабжен дополнительным кольцевым поршнем 15 с возможностью его перемещения с зазорами 16 и 17 в кольцевом цилиндре 14 с образованием в нем насосной полости 18, верхняя часть которой, таким образом, соединена с картером 6 через клапан 10, линию всасывания 9 и фильтр 8, а с потребителем жидкости через клапан 12. В нижней части тронкового поршня 3 между его цилиндрической поверхностью и внутренней поверхностью кольцевого поршня 15 установлен тарированный дроссель 19 или регулируемый предохранительный переливной клапан 20, которые соединяют полость 21, образованную наружной поверхностью тронкового поршня и внутренней поверхностью кольцевого поршня 15, с картером 7. Поршень 3 приводится в движение коленчатым валом 22 через шатун 23 и поршневой палец 24.The drawing schematically shows a longitudinal section of a piston pump-compressor, which contains a cylinder 1 and a throttle piston 3 placed therein with a gap 2 to form a compressor cavity 4, which is connected to a gas source and consumer using self-acting gas valves: valve 5 - suction, valve 6 - discharge. The cylinder 1 is mounted on the crankcase 7, partially filled with a working fluid, which is connected through the filter 8, the suction line 9 and the check valve 10 to the cooling jacket 11 of the cylinder 1 and then through the check valve 12 to the fluid consumer, and through the heat exchanger 13 the crankcase 7 is connected with a source of working fluid. The cooling jacket 11 is made in the form of an annular cylinder 14 open towards the crankcase 7, and the tron piston 3 is equipped with an additional annular piston 15 with the possibility of its movement with gaps 16 and 17 in the annular cylinder 14 with the formation of a pump cavity 18 in it, the upper part of which Thus, it is connected to the crankcase 6 through the valve 10, the suction line 9 and the filter 8, and to the consumer of the liquid through the valve 12. In the lower part of the thron piston 3 between its cylindrical surface and the inner surface of the annular piston 15 is installed arirovanny choke 19 or adjustable safety relief valve 20, which connect the cavity 21 formed by the outer surface of the trunk piston and the inner surface of the annular piston 15, the crankcase 7. The piston 3 is driven by the crankshaft 22 through connecting rod 23 and piston pin 24.

В общем случае поршневой насос-компрессор работает следующим образом.In the General case, a piston pump-compressor operates as follows.

При вращении коленчатого вала 22 поршень 3 вместе с кольцевым поршнем 15 совершают возвратно-поступательное движение, при котором изменяются объемы камер 4 и 18, в результате чего газ всасывается через клапан 5 в полость 4, сжимается в ней и подается потребителю через клапан 6, а жидкость через фильтр 8 и линию всасывания 9 всасывается через клапан 10 в полость 18, сжимается в ней и подается потребителю. В то же время жидкость от источника охлаждается в теплообменнике 13 и попадает в картер 7 для смазки механизма движения (коленчатого вала и его подшипников, шатунного и коренного подшипника шатуна, и затем снова попадает полость 18, протекая по которой во время движения поршня 15 она активно отбирает теплоту от стенок цилиндра 1, охлаждая таким образом сжимаемый газ и повышая КПД компрессорного цикла.When the crankshaft 22 is rotated, the piston 3 together with the annular piston 15 reciprocate, in which the volumes of the chambers 4 and 18 change, as a result of which the gas is sucked through the valve 5 into the cavity 4, compressed in it and supplied to the consumer through the valve 6, and the liquid through the filter 8 and the suction line 9 is sucked through the valve 10 into the cavity 18, is compressed in it and is supplied to the consumer. At the same time, the liquid from the source is cooled in the heat exchanger 13 and enters the crankcase 7 to lubricate the movement mechanism (crankshaft and its bearings, connecting rod and main bearing of the connecting rod, and then the cavity 18 enters again, flowing through it during the movement of the piston 15 takes heat from the walls of the cylinder 1, thereby cooling the compressible gas and increasing the efficiency of the compressor cycle.

При этом возможно несколько вариантов стационарной работы поршневого насос-компрессора 1.In this case, several options for stationary operation of the piston pump compressor 1 are possible.

Давление нагнетания газа больше давления нагнетания жидкости. Возможен при питании газом пневмоинструмента (давление 0,6-0,8 МПа) и смазки механизмов какого-либо оборудования методом «разбрызгивания» (низкое давление, порядка 0,2-0,3 МПа).The gas discharge pressure is greater than the liquid discharge pressure. It is possible when feeding gas with a pneumatic tool (pressure 0.6-0.8 MPa) and lubricating the mechanisms of any equipment using the "spray" method (low pressure, on the order of 0.2-0.3 MPa).

В этом случае нет необходимости устанавливать в поршне 3 дроссель 19 или клапан 20. В начале процесса сжатия (поршень 3 из нижней мертвой точки начинает движение вверх) рост давления жидкости вследствие ее малой сжимаемости практически сразу вырастает до давления нагнетания, и жидкость по зазорам 16 и 17 начинает движение вниз в сторону картера 7. Газ в связи с его высокой сжимаемостью в это время имеет еще низкое давление в полости 4, в связи с чем вначале хода поршня вверх жидкость успевает занять практически весь зазор 16 и начинает скапливаться на дне полости 21. Сжимаемый газ течет по зазору 2, попадает в полость 21, но поскольку сопротивление зазора 2 достаточно велико (практически радиальный зазор составляет около 20-50 мкм), его давление падает, и к концу процесса сжатия, в связи с тем, что газ не может выйти из полости 21, давление в этой полости поднимается до некоторой средней величины, меньшей, чем давление нагнетания полости 4. В процессе нагнетания газа, когда газ продолжает поступать в полость 21, слой натекшей туда жидкости начинает препятствовать этому расходу, а при приближении к верхней мертвой точке образовавшийся на дне полости 21 слой жидкости начинает сжиматься, превратившись в гидрозатвор для газа, и начинает вытеснять его через зазор 2 назад в полость 4. А часть жидкости из полости 21 движется по зазору 16 назад в полость 18.In this case, there is no need to install a throttle 19 or valve 20 in the piston 3. At the beginning of the compression process (the piston 3 starts to move upward from the bottom dead center), the increase in the fluid pressure due to its low compressibility almost immediately increases to the discharge pressure, and the fluid in the gaps 16 and 17 begins to move downward towards the crankcase 7. Due to its high compressibility, the gas at this time still has a low pressure in the cavity 4, and therefore, at the beginning of the upward stroke of the piston, the liquid manages to occupy almost the entire gap 16 and begins to accumulate at the bottom of the cavity 21. The compressed gas flows through the gap 2, enters the cavity 21, but since the resistance of the gap 2 is large enough (almost radial gap is about 20-50 microns), its pressure drops, and by the end of the compression process, therefore so that the gas cannot escape from the cavity 21, the pressure in this cavity rises to a certain average value lower than the discharge pressure of the cavity 4. In the process of pumping the gas, when the gas continues to flow into the cavity 21, the layer of liquid leaked there begins to impede this flow rate, and when approaching to the top dead center, the liquid layer formed at the bottom of the cavity 21 begins to compress, turning into a gas seal, and begins to displace it through the gap 2 back into the cavity 4. And part of the liquid from the cavity 21 moves along the gap 16 back into the cavity 18.

При оптимально подобранных зазоре 16 и объеме полости 21 (зазор 2 в любом случае должен быть как можно меньше) в конце процесса нагнетания газа жидкость из полости 21 поднимается вверх по зазору 2 на 60-70% от его длины, не попадая в полость 4.If the gap 16 and the volume of the cavity 21 are optimally selected (the gap 2 in any case should be as small as possible) at the end of the gas injection process, the liquid from the cavity 21 rises upward through the gap 2 by 60-70% of its length, without falling into the cavity 4.

В процессе всасывания газа и жидкости в полостях 4 и 18, жидкость, находящаяся в зазоре 2, движется в сторону полости 21, оставаясь в виде пленки на поверхности поршня 3 и цилиндра 1, т.к. в полости 21 возникает большое разрежение, и остается там до следующего хода сжатия нагнетания. Туда же движется и жидкость из зазора 16, т.к. разрежение в полости 21 гораздо больше разрежения в полости 18 в процессе всасывания. Таким образом, в течение полного цикла работы насос-компрессора на дне полости 21 всегда есть небольшое количество жидкости.During the absorption of gas and liquid in the cavities 4 and 18, the liquid in the gap 2 moves towards the cavity 21, remaining in the form of a film on the surface of the piston 3 and cylinder 1, because a large rarefaction occurs in the cavity 21, and remains there until the next discharge compression stroke. The fluid from gap 16 also moves there, because rarefaction in the cavity 21 is much more rarefaction in the cavity 18 in the suction process. Thus, during the full cycle of the pump-compressor, there is always a small amount of liquid at the bottom of the cavity 21.

Давления нагнетания газа и жидкости примерно равны между собой (газ используется для пневмопривода манипуляторов и зажимов, жидкость - для смазки под давлением, давление около 1,-1,2 МПа). В этом случае желательно установить в поршне 2 тарированный дроссель 19 с калиброванным отверстием.The injection pressures of gas and liquid are approximately equal to each other (gas is used to pneumatically drive manipulators and clamps, liquid to lubricate under pressure, pressure is about 1, -1.2 MPa). In this case, it is desirable to install a calibrated throttle 19 with a calibrated bore in the piston 2.

Процесс сжатия газа и жидкости будет происходить аналогично вышеописанному с той разницей, что в начале процесса, когда давление жидкости в полости 18 практически сразу становится равным давлению нагнетания, ее утечки (более высокие, чем в случае, описанном в п. 1) через зазор 16, попадая в полость 21, частично стекают в картер 7 через дроссель 19, и постепенное увеличение давления в полости 21 за счет проникновения в нее утечек газа через зазор 2 будут способствовать росту расхода жидкости через дроссель 19, хотя постоянное нахождение жидкости на дне полости 21 будет препятствовать утечкам газа из этой полости в картер 7. К началу процесса нагнетания газа на дне полости 21 оказывается достаточно жидкости, чтобы она занимала практически всю эту полость, и при дальнейшем ходе поршня вверх жидкость из полости 21 истекает одновременно в зазор 16, зазор 2 и через дроссель 19 в картер 7. Гидравлическое сопротивление дросселя при имеющихся зазорах 2, 16 таково, что жидкость не выходит за пределы зазора 2 в сторону полости 4, занимая, как и в вышеописанном случае, только значительную часть длины этого зазора.The process of gas and liquid compression will occur similarly to the above with the difference that at the beginning of the process, when the liquid pressure in the cavity 18 almost immediately becomes equal to the discharge pressure, its leakage (higher than in the case described in paragraph 1) through the gap 16 getting into the cavity 21, partially drain into the crankcase 7 through the throttle 19, and a gradual increase in pressure in the cavity 21 due to the penetration of gas leaks through the gap 2 will contribute to an increase in fluid flow through the throttle 19, although the constant presence of fluid on d e of the cavity 21 will prevent gas leakage from this cavity to the crankcase 7. By the beginning of the gas injection process, enough liquid is provided at the bottom of the cavity 21 to occupy almost the entire cavity, and with a further upward stroke of the liquid, the fluid from the cavity 21 flows out into the gap 16 , the gap 2 and through the throttle 19 to the crankcase 7. The hydraulic resistance of the throttle with the existing gaps 2, 16 is such that the fluid does not go beyond the gap 2 towards the cavity 4, occupying, as in the above case, only a significant part of the length of this Zora.

При ходе поршня вниз (процесс всасывания газа и жидкости в полостях 4 и 18) разрежение в полости 21 будет меньше, чем в предыдущем случае в связи с поступлением (барботированием через слой жидкости) газа из картера, в связи с чем жидкость из зазора 2 практически не стекает в полость 21, оставаясь в зазоре 2 и на стенках поршня 3 и цилиндра 1. Поэтому в последующем ходе сжатия эта жидкость некоторое время будет препятствовать утечкам газа из полости 4 в полость 21 и способствовать образованию на дне полости 21 слоя жидкости, препятствующего утечкам газа.When the piston moves downward (the process of suction of gas and liquid in cavities 4 and 18), the vacuum in the cavity 21 will be less than in the previous case due to the intake (bubbling through the liquid layer) of gas from the crankcase, and therefore the liquid from the gap 2 is practically does not flow into the cavity 21, remaining in the gap 2 and on the walls of the piston 3 and cylinder 1. Therefore, in the subsequent compression course, this liquid will prevent gas leaks from the cavity 4 into the cavity 21 for some time and will contribute to the formation of a liquid layer on the bottom of the cavity 21 that prevents leakages gas .

Таким образом, установка дросселя 19 при равных давлениях жидкости и газа позволяет, также как и в первом случае, предотвратить попадание жидкости в сжимаемый газ, обеспечивая его чистоту.Thus, the installation of the throttle 19 at equal liquid and gas pressures allows, as in the first case, to prevent liquid from entering the compressible gas, ensuring its purity.

Отметим, что в одной ступени, даже при хорошем, имеющемся в данном случае интенсивным охлаждением цилиндропоршневой группы, сжимать газ от атмосферного давления до давления выше 1,0-1,2 МПа нерационально. В то же время многие гидравлические приводы, которые могут питать насос-компрессор, работают при давлении 3,0 МПа и более, и вполне вероятно использование данной конструкции при давлениях жидкости гораздо большем, чем давление газа. Причем для каждой пневмогидравлической системы разница в давлении газа и жидкости может быть разной. Кроме того, давление в гидравлической сети может постоянно меняться, т.к. в ней почти никогда не устанавливают накопителей жидкости, которые практически бесполезны из-за несжимаемости жидкости, а воздушные колпаки могут только способствовать более равномерной подаче жидкости насосами периодического действия.It should be noted that in one stage, even with good, which is available in this case by intensive cooling of the cylinder-piston group, it is irrational to compress the gas from atmospheric pressure to a pressure above 1.0-1.2 MPa. At the same time, many hydraulic drives that can feed the pump-compressor operate at a pressure of 3.0 MPa or more, and it is likely that this design will be used at liquid pressures much higher than gas pressure. Moreover, for each pneumohydraulic system, the difference in gas and liquid pressure can be different. In addition, the pressure in the hydraulic network can constantly change, because liquid storage tanks are almost never installed in it, which are practically useless due to the incompressibility of the liquid, and air caps can only contribute to a more uniform flow of liquid by periodic pumps.

В этом случае вместе с дросселем 19 необходимо устанавливать предохранительный клапан 20, который будет дополнять функции и дросселя 19, но уже при разном давлении жидкости. То есть его можно настроить таким образом, что и при максимальном давлении нагнетания жидкости она не будет попадать в сжимаемый газ, т.к. клапан 20 будет сбрасывать в картер 7 излишки давления жидкости в полости 21.In this case, together with the throttle 19, it is necessary to install a safety valve 20, which will complement the functions of the throttle 19, but at different liquid pressures. That is, it can be adjusted in such a way that even at the maximum discharge pressure, it will not enter the compressible gas, because the valve 20 will discharge into the crankcase 7 excess fluid pressure in the cavity 21.

Таким образом, в предложенной конструкции насос-компрессора при интенсивном охлаждении сжимаемого газа за счет движения охлаждающей жидкости по рубашке цилиндра обеспечивается практически полное отсутствие утечек сжимаемого газа, что повышает КПД компрессорной полости и возможность сжатия жидкости до высоких давлений при отсутствии явления загрязнения жидкостью сжимаемого газа.Thus, in the proposed design of the pump-compressor with intensive cooling of the compressible gas due to the movement of the cooling fluid along the cylinder jacket, there is almost no leakage of the compressible gas, which increases the efficiency of the compressor cavity and the possibility of compressing the fluid to high pressures in the absence of the phenomenon of contamination of the compressible gas with liquid.

Claims

1. A piston pump-compressor comprising a cylinder and a tron piston placed therein with a gap to form a compressor and pump cavity, which are connected to the source and consumer of gas and liquid, respectively, using self-acting gas and liquid valves, as well as a crankcase with working fluid, connected to the cylinder cooling jacket, characterized in that the cooling jacket is made in the form of an annular cylinder open towards the crankcase, and the tron piston is equipped with an additional annular piston with the possibility of its movement with a gap in the said annular cylinder with the formation of a pump cavity in it, the upper part of this cavity being connected through check valves to the crankcase and to the consumer of the liquid.

2. The piston pump-compressor according to claim 1, characterized in that a calibrated throttle or calibrated throttle and an adjustable safety overflow valve are installed in the lower part of the tron piston, which connect the cavity formed by the outer surface of the tron piston and the inner surface of the annular piston with the crankcase.