RU2622453C2

RU2622453C2 - Горизонтальный поршневой компрессор

Info

Publication number: RU2622453C2
Application number: RU2015143564A
Authority: RU
Inventors: Лаурентиус Герардус Мария КОП; Петрус Николас ДЕЙНЕВЕЛД
Original assignee: Хауден Томассен Компрессорс Бв
Priority date: 2013-03-13
Filing date: 2013-03-13
Publication date: 2017-06-15
Also published as: CN105247211B; ES2645403T3; EP2971765B1; CA2904104A1; CN105247211A; EP2971765A1; RU2015143564A; JP6307527B2; JP2016512585A; US10247183B2; CA2904104C; US20160032921A1; KR20150139863A; WO2014139565A1

Abstract

Изобретение относится к области компрессоростроения и может быть использовано в компрессорах, содержащих устройство свободноплавающего поршня. Горизонтальный поршневой компрессор содержит корпус с цилиндром и поршень, вставленный в цилиндр с возможностью совершать возвратно-поступательные движения. Поршень имеет внутреннюю камеру, первую и вторую торцевые стенки. Поршень и цилиндр образуют компрессионную камеру для сжатия газа. В первой торцевой стенке расположены клапан и дроссель, выполненные с возможностью подавать газ из компрессионной камеры во внутреннюю камеру во время хода сжатия поршня. Дроссель проходит через участок тела клапана, имеющий множество проточных каналов, сквозь которые может проходить газ из дросселя к области седла клапана. Газовый подшипник поддерживает поршень относительно корпуса. Газовый подшипник содержит отверстие для подачи газа из внутренней камеры в пространство между поршнем и цилиндром так, чтобы газ, поданный в это пространство, создавал направленное вверх давление на поршень. Клапан может быть подпружинен, а дроссель может быть вставным дросселем, расположенным между клапаном и компрессионной камерой. Снижается износ компонентов поршня при эксплуатации. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 7 ил.

Description

Предпосылки создания изобретения

Область изобретения

Настоящее изобретение по существу относится к поршневым компрессорам для сжатия газа и, более конкретно, к горизонтальному поршневому компрессору, содержащему устройство свободноплавающего поршня.

Описание предшествующего уровня техники

Горизонтальные поршневые компрессоры известны. Такие поршневые компрессоры являются очень большими компрессорами двойного действия с несколькими цилиндрами и применяются в нефтяной и нефтехимической отраслях промышленности. Силы инерции, которые являются результатом большой массы совершающих возвратно-поступательное движение частей, являются основной причиной горизонтального размещения цилиндров на корпусе. Хотя большую часть этих сил можно компенсировать, балансируя движения узлов поршня/штока, оставшиеся силы, действующие на корпус компрессора, могут легче поглощаться станиной компрессора, если они направлены горизонтально, а не вертикально.

В горизонтальных поршневых компрессорах возникает по существу известная проблема, относящаяся к поддержке совершающего возвратно-поступательные движения узла поршня/штока относительно неподвижной части компрессора (т.е. корпуса и цилиндра (цилиндров), образующих их часть). По существу, узел поршня/штока поддерживается на стороне крейцкопфа крейцкопфом, который направляется в корпусе, а на другой стороне поршень опирается на нижнюю часть стенки цилиндра. Поршень часто снабжают одним или более сменным поршневым кольцом, который расположен вокруг поршня в периферийном направлении и выступает за тело поршня. Эти кольца известны как направляющие поршневые кольца.

Со временем износ направляющих поршневых колец приводит к прорыву, который допустим только в определенных пределах. Для предотвращения ускоренного износа несущих поверхностей и минимизации случаев прорыва в качестве смазки между поршнем и стенкой цилиндра обычно используют масло. Однако проблема со смазочным маслом заключается в том, что смазочное масло может загрязнять сжимаемый газ. Поэтому сохраняется потребность в не содержащих масла компрессорах. Для изготовления компрессора, не содержащего масла, необходимо тщательно подбирать материал направляющих поршневых колец и способ их крепления к поршню. В некоторых случаях направляющие поршневые кольца изготавливают из материалов с высокими смазывающими свойствами и с высокой износостойкостью, например, из политетрафторэтилена (ПТФЭ), широко известного как тефлон.

Как было упомянуто выше, горизонтальные поршневые компрессоры часто применяют в ситуациях, где необходима непрерывная работа. И хотя механическая конструкция таких компрессоров была разработана так, чтобы компрессор мог работать годами, непрерывно и с высокой эффективностью, скорость износа направляющих поршневых колец оказывается выше, чем желательно. Поэтому, на практике такие компрессоры приходится останавливать для замены колец, износившихся до неприемлемой степени.

Такое техническое обслуживание плохо влияет на общую эффективность и эксплуатационные характеристики компрессора такого типа. Следовательно, существует потребность в усовершенствованном несущем устройстве, расположенным между поршнем и цилиндром компрессора, которое позволит компрессору работать непрерывно на протяжении существенно более длительного времени по сравнению с известными компрессорами.

Сущность изобретения

Предлагается горизонтальный поршневой компрессор для сжатия газа. Компрессор может содержать корпус, имеющую цилиндр, ориентированный вдоль горизонтальной оси, и поршень, вставленный в цилиндр с возможностью совершать возвратно-поступательные движения. Поршень может иметь внутреннюю камеру и первую и вторую торцевые стенки. Поршень и цилиндр могут образовывать, по меньшей мере, одну компрессионную камеру, в которой сжимается газ. Компрессор далее может содержать клапан и дроссельное отверстие, расположенные, по меньшей мере, в части первой торцевой стенки поршня. Клапан и дроссельное отверстие могут быть выполнены с возможностью пропускать газ из компрессионной камеры во внутреннюю камеру во время хода сжатия поршня. Компрессор также может содержать газовый подшипник для поддержки поршня относительно корпуса. Газовый подшипник может содержать выпускное отверстие для пропускания газа из внутренней камеры в пространство между поршнем и цилиндром. Положение этого по меньшей мере одного выпускного отверстия и давление газа могут быть такими, чтобы газ, пропущенный в это пространство, прилагал направленное вверх давление к узлу штока поршня.

В некоторых вариантах клапан содержит подпружиненный клапан, а дроссельное отверстие содержит вставной дроссель, расположенный между клапаном и компрессионной камерой. В других, не ограничивающих вариантах, клапан является клапаном номиналом в 1 дюйм (25,4 мм) а вставной дроссель может иметь дроссельное отверстие диаметром от приблизительно 2 мм до приблизительно 5 мм, а длина суженной части составляет приблизительно 7 мм. Следует понимать, что это величины являются чисто иллюстративными, и не выходя за пределы объема изобретения можно применять другие типы и размеры клапана, диаметры дроссельного отверстия и длины суженной части.

В некоторых не ограничивающих вариантах выпускное отверстие выполнено с возможностью поддерживать отношение дифференциального давления между внутренней камерой и пространством между поршнем и цилиндром на уровне от 0,6 до 0,8. Следует понимать, что эти величины являются чисто иллюстративными и можно использовать и другие величины. Следует также понимать, что величина дифференциального давления определяется массой узла поршень/шток.

По меньшей мере одна компрессионная камера может содержать первую и вторую компрессионные камеры, где первая компрессионная камера образована цилиндром и первой торцевой стенкой поршня, а вторая компрессионная камера образована цилиндром и второй торцевой стенкой поршня. Первая компрессионная камера может иметь первые впускной и выпускной клапаны, и вторая компрессионная камера может иметь вторые впускной и выпускной клапаны.

Когда давление газа в по меньшей мере одной компрессионной камере поднимается выше давления открытия клапана, газ в этой по меньшей мере одной компрессионной камере может проходить сквозь клапан во внутреннюю камеру поршня.

В некоторых вариантах выпускное отверстие содержит множество выпускных отверстий. Компрессор далее может содержать первое и второе направляющие поршневые кольца, расположенные вокруг периферии поршня, где первое и второе направляющие поршневые кольца содержат множество выпускных отверстий. В других вариантах множество выпускных отверстий расположено в нижней части первого и второго направляющих поршневых колец.

Компрессор может содержать множество уплотняющих поршневых колец, расположенных вокруг периферии поршня. По меньшей мере одно из множества уплотняющих поршневых колец может быть расположено между первым направляющим поршневым кольцом и первой торцевой стенкой поршня, и по меньшей мере другое из множества уплотняющих поршневых колец может быть расположено между вторым направляющим поршневым кольцом и второй торцевой стенкой поршня.

Предлагается поршень для применения в горизонтальном поршневом компрессоре. Поршень может быть выполнен с возможностью возвратно-поступательного движения в цилиндре компрессора. Поршень может содержать внутреннюю камеру и первую и вторую торцевые стенки, и может быть выполнен с возможностью образовывать по меньшей мере одну компрессионную камеру с цилиндром, в которой сжимается газ. Поршень может содержать клапан и дроссель, расположенные в по меньшей мере части первой торцевой стенки. Клапан и дроссельное отверстие могут быть выполнены с возможностью пропускать газ из компрессионной камеры во внутреннюю камеру во время хода сжатия поршня. Поршень может образовывать газовый подшипник для поддержки поршня относительно корпуса компрессора. Газовый подшипник может содержать выпускное отверстие для пропускания газа из внутренней камеры в пространство между поршнем и цилиндром. Положение по меньшей мере одного выпускного отверстия и давление газа могут быть такими, чтобы газ, выпущенный в это пространство, создавал направленное вверх давление на поршень.

Краткое описание чертежей

Приложенные чертежи иллюстрируют предпочтительный вариант осуществления раскрытого способа, предусмотренный для практического применения принципов настоящего изобретения, при этом на чертежах:

Фиг. 1 - сечение иллюстративного горизонтального поршневого компрессора двойного действия, содержащего описанный свободноплавающий поршень;

Фиг. 2 - вид сбоку иллюстративного направляющего поршневого кольца для применения в компрессоре по фиг. 1;

Фиг. 3 - сечение направляющего поршневого кольца по фиг. 2 по линии 3-3 на фиг. 2;

Фиг. 4 - вид снизу иллюстративного варианта направляющего поршневого кольца по фиг. 2;

Фиг. 5 - сечение иллюстративного варианта описанной конструкции свободноплавающего поршня;

Фиг. 6 - сечение клапана иллюстративного свободноплавающего поршня для применения в конструкции свободноплавающего поршня по фиг. 5;

Фиг. 7 - сечение иллюстративной конструкции свободноплавающего поршня по фиг. 5, иллюстрирующее пример потока газа через этот свободноплавающий поршень.

Описание вариантов

Предлагается усовершенствованный поршень для применения в горизонтальных поршневых компрессорах. Усовершенствованный поршень предназначен для плавания на пленке газа, создаваемой между поршнем и соответствующей стенкой цилиндра, что снижает износ компонентов поршня при эксплуатации. Снижение износа в предлагаемой конструкции позволяет соответствующему компрессору работать дольше между восстановительными ремонтами компонентов по сравнению с известными конструкциями. Как более подробно будет описано ниже, предлагаемая конструкция также рассчитана на более широкий диапазон рабочих дифференциальных давлений (между всасыванием и выпуском) и меньшие диаметры поршня по сравнению с известными устройствами, в которых применяется такая технология газовой пленки. Пример известного устройства такого типа раскрыт в ЕР 0839260, который полностью включен в настоящее описание путем отсылки.

На фиг. 1-4 показан иллюстративный горизонтальный поршневой компрессор 1. Компрессор может содержать корпус 2, в которой с возможностью скольжения установлен цилиндр 4. Нижняя часть поршня показана в сечении, а верхняя часть - в вертикальной проекции.

Шток 8 поршня прикреплен к поршню 6 своим правым концом, а его левый конец соединен с крейцкопфом 10. Крейцкопф 10 направляется для возвратно-поступательных движений по горизонтальной прямой в корпусе 2 компрессора с помощью направляющих 12. Крейцкопф 10 приводится в движение кривошипом, по существу известным в области горизонтальных поршневых компрессоров. Вращение приводного вала 14 передается на крейцкопф 10 через соединенный с ним кривошип 16, и шатун 18, который соединяет кривошип 16 и крейцкопф 10.

Компрессор является компрессором двойного действия, в котором в цилиндре 4 по обе стороны от поршня 6 сформированы компрессионные камеры 20 и 22. Каждая из компрессионных камер 20, 22 снабжена впускным клапаном 24, 26, и выпускным клапаном 28, 30, соответственно. При движении поршня 6 в направлении кривошипно-шатунного механизма (т.е. влево на фиг. 1), газ под давлением всасывания поступает через впускной клапан 24 в компрессионную камеру 20. Одновременно газ, имеющийся в компрессионной камере 22, сжимается и выпускается под давлением выпуска, через выпускной клапан 30. Хотя на чертеже это не показано, источник газа соединен с впускными клапанами 24, 26 компрессионных камер 20, 22, а выпускные клапаны 28, 30 будут соединены с соответствующим выпускным трубопроводом.

Как можно видеть, корпус 2 компрессора помещена на основание так, чтобы цилиндр 4 находился в горизонтальном положении. Раскрывается конструкция для узла поршня/штока, образованного поршнем 6 и штоком 8. На левом конце на фиг. 1 узел опирается через крейцкопф 10 на корпус 2, и смазочное масло подается между направляющими 12 и крейцкопфом 10. Однако такая опора на крейцкопфе 10 не способна предотвратить волочение поршня 6 по нижней части стенки цилиндра 4, в частности, поскольку между крейцкопфом 10 и направляющими 12 имеется определенный люфт, который позволяет крейцкопфу 10 наклоняться, и поскольку тонкий шток 8 гнется. Другие несущие средства, которые поддерживают узел поршня/штока, описаны ниже.

Вокруг поршня 6 рядом с каждым его торцом установлено направляющее поршневое кольцо, которое более подробно будет описано ниже со ссылками на фиг. 2, 3 и 4. Это направляющее поршневое кольцо установлено в периферийной канавке в теле поршня б. Направляющие поршневые кольца 32 и 34 выступают на небольшое расстояние из тела поршня 6. Вокруг тела поршня 6 также может быть установлена сборка уплотняющих поршневых колец 36. В показанном варианте уплотняющие поршневые кольца 36 расположены между направляющими поршневыми кольцами 32, 34. Однако следует понимать, что в других вариантах уплотняющие поршневые кольца 36 могут находиться между направляющими поршневыми кольцами 32, 34 и торцами поршня 6. Понятно, что уплотняющие поршневые кольца 36 могут действовать для предотвращения протечки газа со стороны высокого давления цилиндра 4 на сторону низкого давления.

Как показано на фиг. 1, камера 42 поршня 6 сообщается с одним или более выпускным отверстием 38, 40, сформированным в каждом направляющем поршневом кольце. Источник, который образован камерой 42 в сочетании с частью компрессора, который подает газ под давлением в эту камеру 42, должен быть выполнен так, чтобы во время работы компрессора газ под давлением постоянно вытекал из камеры 42 через выпускные отверстия 38, 40. Понятно, что этот газ образует газовую пленку между направляющими поршневыми кольцами 32, 34 и гладкой стенкой цилиндра 4. Несущая способность такой газовой пленки определяется давлением газа в пленке и площадью поверхности, на которую это давление действует для поддержки узла поршень/шток. Этой поверхностью будет часть нижней половины направляющего поршневого кольца.

Следует понимать, что в некоторых вариантах направляющее поршневое кольцо может находиться не в канавке в теле поршня, а тело поршня может быть выполнено из множества отдельных сегментов, так, чтобы направляющее поршневое кольцо было зажато между двумя сегментами.

Далее следует описание иллюстративного варианта направляющих поршневых колец 32 и 34 на примере кольца 32 со ссылками на фиг. 2, 3 и 4. Направляющее поршневое кольцо 32 является кольцевым элементом с точным внутренним цилиндрическим диаметром, который адаптирован к периферийной канавке, формируемой в теле поршня, и в которую это кольцо устанавливается. Однако внешняя периферия направляющего поршневого кольца 23 не является точно цилиндрической. Как показано на фиг. 2, нижний сегмент внешней периферии, когда направляющее поршневое кольцо установлено, имеет немного больший радиус, чем соединенный с ним верхний сегмент. Нижний сегмент проходит через угол по обе стороны от вертикали 42, и радиус практически соответствует радиусу цилиндра, вдоль которого движется это направляющее поршневое кольцо. Такая конструкция внешней периферии выбрана потому, что при формировании газовой пленки между направляющим кольцом 32 и цилиндром 4, она должна быть сконфигурирована так, чтобы сдвигать поршень 6 вверх на небольшое расстояние, и для механических и тепловых деформаций должен оставаться достаточный люфт.

На фиг. 3 показан ниппель 44, соединенный с направляющим поршневым кольцом и имеющий отверстие, открывающееся в круглый внешний торец 45. Торец 45 утоплен относительно внешней периферии направляющего поршневого кольца 32. Для создания газовой пленки может быть важным, чтобы выпускное отверстие 46 в ниппеле 44 могло ограничивать газовый поток. Выпускное отверстие 46 сообщается с камерой 42 через отверстие 48 в стенке поршня 6 (см. фиг. 1).

Как было описано выше, несущееся способность системы газового подшипника определяется, помимо прочего, эффективной поверхностью, через которую газовая пленка поддерживает узел поршня/штока. Для того чтобы получить большую площадь поверхности со стабильной газовой пленкой в нижнем сегменте направляющего поршневого кольца 32 имеется рисунок канавок, показанный, в частности, на фиг. 4. В одном варианте рисунок канавок содержит две параллельные основные канавки 48, 50, расположенные по обе стороны от ниппеля 44. На фиг. 2 показано, что каждая из двух основных канавок 48, 50 проходит симметрично на одинаковый угол в обе стороны от выпускного отверстия 4 6 ниппеля 44, расположенного на вертикальной оси 42. Центральная поперечная канавка 52 соединяет две основные канавки 48, 50 с выпускным отверстием 46. На своих концах основные канавки 48, 50 соединены поперечными канавками 54. Поперечные канавки 56-62, расположенные симметрично относительно вертикали 42, соединяют две основные канавки 48, 50 и, таким образом, образуют поля 64 -78. Эти поля 64-78 расположены заподлицо с остальной частью нижнего сегмента направляющего поршневого кольца 32.

Следует понимать, что показанный рисунок канавок является лишь одним из возможных решений и поэтому не является ограничивающим. Предусматривается, что в некоторых вариантах применения рисунок канавок может отсутствовать, а вместо него может иметься одно или более выпускное отверстие в форме простого отверстия. Направляющие поршневые кольца 32 и 34 могут быть изготовлены из материала, который имеет преимущественные свойства работы в условиях аварии так, чтобы если газовая пленка случайно исчезнет, не произойдет никакого нежелательного износа стенки цилиндра. Не ограничивающим примером такого материала является политетрафторэтилен.

Как было указано выше, газ не показан, и следует понимать, что предусматриваются различные подающие конструкции. В принципе основным условием, которому должен соответствовать такой источник, заключается в том, что газ должен течь постоянно из одного или более выпускного отверстия для сохранения газовой пленки между цилиндром и поршнем. Выпуск газа из выпускного отверстия в этом случае будет зависеть, помимо прочего, от давления в области, в которую этот газ течет. В некоторых вариантах может быть важным, чтобы источник мог подавать газ под давлением, выше или существенно ниже, чем максимальное давление подачи газа в компрессионную камеру компрессора. Например, источник может быть образован ступенью более высокого давления этого же компрессора или другого компрессора.

На фиг. 5 показан иллюстративный поршень 80 для применения в описанном компрессоре 1, который далее будет описан более подробно. Поршень 80 является по существу цилиндрическим элементом, имеющим внутреннюю камеру 82 и первый и второй торцы 84, 86. Шток 88 проходит сквозь отверстия в первом и втором торцах 84, 86 для перемещения поршня 80 в возвратно-поступательном режиме внутри цилиндра 90. Поршень 80 может содержать первое и второе направляющие поршневые кольца 92, 94, расположенные в периферийных канавках, сформированных на внешней поверхности поршня. Первое и второе направляющие поршневые кольца 92, 04 могут иметь конструкцию, по существу такую же, что и направляющие поршневые кольца, описанные со ссылками на фиг. 2-4. Таким образом, нижняя часть каждого кольца может содержать выпускное отверстие 96, 98, сообщающееся с соответствующим отверстием 100, 102, выполненным в стенке поршня для пропускания газа, что позволяет газу выходить из внутренней камеры 82 через выпускные отверстия и отверстия. Поршень 80 также может иметь множество уплотняющих поршневых колец 104, расположенных между направляющими поршневыми кольцами 92, 94 и соответствующими торцами 84, 86 поршня. Уплотняющие поршневые кольца 104 могут быть расположены в проходящих по окружности канавках, сформированных во внешней поверхности поршня. В показанном варианте применяются две пары уплотняющих поршневых колец 104 между каждым направляющим кольцом и соответствующим торцом поршня. Следует понимать, что можно использовать и альтернативное расположение.

Клапан 106 может быть расположен в первом торце 84 (или, альтернативно, во втором торце 96) поршня 80 для создания канала для газа из компрессионной камеры 22 цилиндра 4 (см. фиг. 1) во внутреннюю камеру 82 поршня. Как будет более подробно описано ниже, клапан 106 может содержать дроссель 108, расположенный перед клапаном. В одном варианте клапан 106 является подпружиненным клапаном, а дроссель выполнен интегрально с клапаном 106. При таком расположении газ может поступать во внутреннюю камеру 82, когда достигнуто заранее определенное давление в компрессионной камере 22 цилиндра. Затем газ может проходить через выпускные отверстия 96, 98 в направляющих поршневых кольцах 92, 94 в направлении, показанном стрелками «А» для создания вышеупомянутого газового слоя между внешней поверхностью поршня 80 и внутренней поверхностью цилиндра 4.

На фиг. 6 показан не ограничивающий пример клапана 106 для применения в поршне 80 по фиг. 5. Клапан 106 может содержать интегрально выполненный участок 108 дросселя, который в показанном варианте состоит из резьбовой вставки, вставленной во впускную часть 110 клапана. Следует понимать, что, хотя показан резьбовой вставной дроссель, такая конструкция не является ограничивающей и предусматриваются и другие конструкции дроссельного отверстия. В показанном варианте участок 108 дросселя может иметь резьбовое тело 112 и дроссельное отверстие 114. Дроссельное отверстие 114 может иметь диаметр "OD" и длину "TL" суженной части. В одном не ограничивающем иллюстративном варианте диаметр "OD" дроссельного отверстия может быть от приблизительно 2 мм до приблизительно 5 мм, а длина суженной части может быть минимум приблизительно 7 мм. Однако следует понимать, что также можно использовать другие клапаны и другие дроссели с другими размерами дроссельного отверстия и длинами суженной части. Клапан 106 может содержать участок 116 тела с множеством проточных каналов 118, сквозь которые газ может проходить из участка 108 дросселя к области 120 седла. Участок штока клапана может содержать поверхность 122 тарелки, которая подпружинена так, чтобы контактировать с участком 124 седла тела клапана, пружиной 126, расположенной вокруг штока 128 клапана. При такой конструкции взаимодействие между поверхностью 122 тарелки и участком 124 седла клапана блокирует поток газа из проточных каналов 118, когда давление газа в клапане ниже заранее определенного давления открытия. Когда давление газа в клапане превысит заранее определенное давление открытия, пружина 126 сжимается, и поверхность 122 тарелки отходит от участка седла клапана, пропуская газ через клапан во внутреннюю камеру 82 поршня (см. фиг. 5). На фиг. 6 показан клапан 106 в открытой конфигурации, в которой газ может проходить из компрессионной камеры 22 во внутреннюю камеру 82 поршня (фиг. 5). Когда давление газа в клапане падает ниже заранее определенного давления открывания, сила пружины 126 смещает поверхность 122 тарелки в зацепление с участком 124 седла клапана, перекрывая поток газа между телом и седлом.

Следует понимать, что дроссель 108 может устанавливаться отдельно в тело поршня и, поэтому, он не обязательно должен быть выполнен интегрально с клапаном 106. Диаметр дроссельного отверстия рассчитан так, чтобы ограничивать расход до приблизительно 1% от подаваемого расхода для конкретного поршня. Давление открытия определяется нагрузкой пружины на тарелку 122 и является основным параметром для стабильности (постепенного открывания и закрывания) тарелки 122. В некоторых вариантах давление открытия может быть меньше чем 0,5% от давления в камерах 20 и/или 22 (фиг. 5).

На фиг. 7 показаны иллюстративный проточный канал через дроссель 108, клапан 106 свободноплавающего поршня и сам поршень во время работы. Как показано на чертеже, поршень 80 расположен с возможностью совершать возвратно-поступательные движения внутри цилиндра 90 так, чтобы, когда поршень 80 двигается в цилиндре 90, газ циклически всасывается через впускные клапаны 24, 26 в компрессионные камеры 20, 22, соответственно, и выпускается через выпускные клапаны 28, 30, соответственно. В показанном положении движение поршня справа налево всасывает газ в компрессионную камеру 20 через впускной клапан 24. Одновременно газ, ранее поступивший через впускной клапан 26, сжимается в компрессионной камере 22 и выпускается в направлении, показанном стрелкой "В" через выпускной клапан 28. Когда давление газа в компрессионной камере 22 достигает давления открытия клапана 106 (т.е. давления, которое преодолевает поджимающую силу пружины 126 клапана), поверхность 122 тарелки клапана 106 отходит от участка 124 седла клапана, позволяя сжатому воздуху войти во внутреннюю камеру 82 поршня 80, как показано стрелкой "С". Сжатый газ во внутренней камере 82 поршня 80 затем вытекает через выпускные отверстия 96, 98 в направляющих поршневых кольцах 92, 94 (например, в направлении, показанном стрелкой "D") для создания тонкого газового слоя между поршнем 80 и цилиндром 90. Этот тонкий газовый слой прилагает требуемую направленную вверх силу, действующую на поршень 80, тем самым противодействуя возникающей в противном случае большой направленной вниз силе, действующей на уплотняющие поршневые кольца 104 и направляющие поршневые кольца 92, 94. Минимизация направленной вниз силы, действующей на направляющие поршневые кольца и уплотняющие поршневые кольца, уменьшает вызванный трением износ и увеличивает срок службы компрессора.

Хотя на фиг. 7 показан и описан только направленный справа налево ход поршня 80, следует понимать, что аналогичная схема сжатия газа применяется и во время направленного слева направо хода поршня (т.е. газ всасывается в компрессионную камеру 22 через впускной клапан 26, и сжатый газ выводится из камеры 20 через выпускной клапан 28). Однако разница заключается в том, что во время направленного слева направо хода поршня газ не попадает во внутреннюю камеру 82 поршня 80.

В некоторых не ограничивающих вариантах описанный свободноплавающий поршень может применяться в условиях, когда перепад между давлением всасывания и давлением выпуска превышает 50 бар (до приблизительно 250 бар) при диаметре поршня 500 мм или менее. Следует понимать, что описанная конструкция может применяться и для других величин перепада давления.

Как было описано выше, клапан 106 свободноплавающего поршня открывается, когда давление в компрессионной камере 22 превышает давление во внутренней камере 82 поршня 80. Давление газового слоя (т.е. слоя между цилиндром и поршнем) определяется весом поршня и профилем выпускных отверстий 96, 98 в направляющих поршневых кольцах 92, 94. Этот газовый слой можно назвать "газовым подшипником".

Понятно, что дифференциальное давление между газовым подшипником и внутренней камерой 82 уменьшается на выпускных отверстиях 96, 98. Выпускные отверстия ограничивают расход газа и, таким образом, зазор (т.е. толщину), создаваемый газовым подшипником. Однако выпускные отверстия 96, 98 не влияют на подъемную силу, поэтому, когда дифференциальное давление между внутренней камерой и газовым подшипником высоко, выпускные отверстия не могут соответствующим образом ограничить расход газа, если не использовать очень узкие отверстия, что является нежелательным. Когда отношение давлений на выпускных отверстиях 96, 98 приближается к критическому (>0,6), несущие свойства газового подшипника могут стать нестабильными. Это означает, что газовый подшипник может не реагировать на изменения нагрузки, "жесткость" подшипника приближается к нулю или становится нулевой, и в подшипнике начинается биение.

Таким образом, понятно, что выпускные отверстия в направляющих поршневых кольцах 92, 94 определяют жесткость газового подшипника. Оптимальное отношение давлений на выпускных отверстиях 96, 98 составляет 0,6-0,8. В случае дифференциального давления в конкретном цилиндре, превышающего 50 бар, этого может быть недостаточно, чтобы ограничить расход газа на газовый подшипник. В таком случае давление во внутренней камере 82 поршня нужно снизить. Проходное сечение для газа, например, в 1 дюйм (25,4 мм) может быть слишком большим для требуемого расхода, даже при минимальном подъеме тарелки клапана. Описанное решение позволяет уменьшить давление подачи для такого уровня, чтобы отношение давлений на выпускных отверстиях 96, 98 находилось в заданном диапазоне (0,6-0,8). Давление подачи можно снизить, уменьшив расход через клапан 106 свободноплавающего поршня. Для дросселирования расхода во впускной клапан 106 вставлен дроссель 109. Дроссельное отверстие этого дросселя можно регулировать для получения требуемого проходного сечения в соответствии с вариантом применения.

Дроссель 108 защищает клапан от высоких дифференциальных давлений и вызванных ими высоких скоростей удара в области 120 седла клапана. Рабочие условия для клапана 106 свободноплавающего поршня сильно отличаются от условий для клапанов "стандартных" компрессоров, поскольку он подвергается действию растущего дифференциального давления, даже когда клапан открыт, и силам ускорения из-за движения поршня 80.

Перед тарелкой клапана дросселирующее отверстие обычно не применяется, поскольку такое отверстие приводит к потерям расхода, что нежелательно в традиционных всасывающих и выпускающих клапанах компрессора. С помощью предлагаемой конструкции комбинация дроссель/клапан способна поддерживать давление газа во внутренней камере 82 поршня 80 на требуемом уровне, чтобы отношение давлений на выпускных отверстиях 96, 98 находилось в пределах приблизительно 0,6-0,8. Следует понимать, что этот диапазон не является ограничивающим и описанная конструкция может применяться с другими отношениями дифференциального давления.

Хотя вышеприведенное описание относится к компрессорам двойного действия, понятно, что описанная конструкция для поддержки узла поршень/шток относительно неподвижных частей компрессора также может использоваться для компрессоров одинарного действия или тандемных компрессоров. Хотя настоящее изобретение было описано со ссылками на конкретные варианты, в них могут быть внесены различные изменения и замены, не выходящие за пределы изобретательской идеи и объема изобретения, которые определены приложенной формулой изобретения. Соответственно, настоящее изобретение не ограничивается описанными вариантами, и его объем определяется прилагаемой формулой изобретения.

Claims

1. Горизонтальный поршневой компрессор для сжатия газа, содержащий:

корпус, имеющий цилиндр, ориентированный вдоль горизонтальной оси;

поршень, вставленный в цилиндр с возможностью совершать возвратно-поступательные движения, причем поршень имеет внутреннюю камеру и первую и вторую торцевые стенки, при этом поршень и цилиндр образуют по меньшей мере одну компрессионную камеру, в которой сжимается газ;

клапан и дроссель, расположенные по меньшей мере в части первой торцевой стенки, при этом дроссель и клапан выполнены с возможностью пропускать газ из компрессионной камеры во внутреннюю камеру во время хода сжатия поршня, и дроссель проходит через участок тела клапана, причем участок тела клапана имеет множество проточных каналов, сквозь которые может проходить газ из дросселя к области седла клапана; и

газовый подшипник для поддержки поршня относительно корпуса, при этом газовый подшипник содержит выпускное отверстие для выпуска газа из внутренней камеры в пространство между поршнем и цилиндром, и расположение этого по меньшей мере одного выпускного отверстия и давление газа таковы, чтобы газ, выпущенный в указанное пространство, прилагал направленное вверх давление к узлу поршень/шток.

2. Компрессор по п. 1, в котором клапан содержит подпружиненный клапан, а дроссель содержит вставной дроссель, расположенный между клапаном и компрессионной камерой.

3. Компрессор по п. 2, в котором клапан является клапаном с номиналом 1 дюйм (25,4 мм), а вставной дроссель имеет дроссельное отверстие диаметром приблизительно от 2 мм до 5 мм и с длиной суженной части приблизительно 7 мм.

4. Компрессор по п. 1, в котором выпускное отверстие выполнено с возможностью поддерживать отношение давлений между внутренней камерой и пространством между поршнем и цилиндром, при этом отношение давлений превышает приблизительно 0,6.

5. Компрессор по п. 1, в котором выпускное отверстие выполнено с возможностью поддерживать отношение давлений между внутренней камерой и пространством между поршнем и цилиндром, при этом отношение давлений составляет приблизительно от 06 до 0,8.

6. Компрессор по п. 1, в котором указанная по меньшей мере одна компрессионная камера содержит первую и вторую компрессионные камеры, причем первая компрессионная камера образована цилиндром и первой торцевой стенкой поршня, вторая компрессионная камера образована цилиндром и второй торцевой стенкой поршня, и при этом первая компрессионная камера имеет первые впускной и выпускной клапаны, а вторая компрессионная камера имеет вторые впускной и выпускной клапаны.

7. Компрессор по п. 1, в котором давление газа в указанной по меньшей мере одной компрессионной камере поднимается выше давления открытия клапана, и газ из указанной по меньшей мере одной компрессионной камеры проходит сквозь клапан во внутреннюю камеру поршня.

8. Компрессор по п. 1, в котором выпускное отверстие содержит множество выпускных отверстий, и горизонтальный поршневой компрессор далее содержит первое и второе направляющие поршневые кольца, расположенные вокруг периферии поршня, при этом первое и второе направляющие поршневые кольца содержат множество выпускных отверстий.

9. Компрессор по п. 8, в котором множество выпускных отверстий расположено на нижней части первого и второго направляющих поршневых колец.

10. Компрессор по п. 8, далее содержащий множество уплотняющих поршневых колец, расположенных вокруг периферии поршня, при этом по меньшей мере одно из множества уплотняющих колец расположено между первым направляющим поршневым кольцом и первой торцевой стенкой поршня, и по меньшей мере другое из множества уплотняющих колец расположено между вторым направляющим поршневым кольцом и второй торцевой стенкой поршня.

11. Поршень для применения в горизонтальном поршневом компрессоре, содержащий:

поршень, вставленный в цилиндр с возможностью совершать возвратно-поступательные движения, причем поршень имеет внутреннюю камеру и первую и вторую торцевые стенки, и при этом поршень выполнен с возможностью формировать вместе с цилиндром по меньшей мере одну компрессионную камеру, в которой сжимается газ;

клапан и дроссель, расположенные в по меньшей мере части по меньшей мере одной из первой торцевой стенки и второй торцевой стенки, при этом клапан и дроссель выполнены с возможностью пропускать газ из компрессионной камеры во внутреннюю камеру во время хода сжатия поршня, и дроссель проходит через участок тела клапана, причем участок тела клапана имеет множество проточных каналов, сквозь которые может проходить газ из дросселя к области седла клапана; и

газовый подшипник для поддержки поршня относительно корпуса компрессора, при этом газовый подшипник содержит выпускное отверстие для выпуска газа из внутренней камеры в пространство между поршнем и цилиндром, и положение указанного по меньшей мере одного выпускного отверстия и давление газа таковы, чтобы газ, выпущенный в указанное пространство, прилагал к поршню направленное вверх давление.

12. Поршень по п. 11, в котором клапан содержит подпружиненный клапан, а дроссель содержит вставной дроссель, расположенный между клапаном и компрессионной камерой.

13. Поршень по п. 12, в котором клапан является клапаном с номиналом 1 дюйм (25,4 мм), а вставной дроссель имеет дроссельное отверстие диаметром приблизительно от 2 мм до 5 мм и с длиной суженной части приблизительно 7 мм.

14. Поршень по п. 11, в котором выпускное отверстие выполнено с возможностью поддерживать отношение давлений между внутренней камерой и пространством между поршнем и цилиндром, при этом отношение давлений превышает приблизительно 0,6.

15. Поршень по п. 11, в котором выпускное отверстие выполнено с возможностью поддерживать отношение давлений между внутренней камерой и пространством между поршнем и цилиндром, при этом отношение давлений составляет приблизительно от 0,6 до 0,8.

16. Поршень по п. 11, в котором дроссель и клапан выполнены с возможностью пропускать газ во внутреннюю камеру поршня, когда давления газа рядом с первой торцевой стенкой или второй торцевой стенкой поднимается выше давления открытия клапана.

17. Поршень по п. 11, в котором выпускное отверстие содержит множество выпускных отверстий, при этом поршень далее содержит первое и второе направляющие кольца, расположенные вокруг периферии поршня, причем первое и второе направляющие кольца содержат множество выпускных отверстий.

18. Поршень по п. 17, в котором множество выпускных отверстии расположено на нижней части первого и второго направляющих поршневых колец.

19. Поршень по п. 17, далее содержащий множество уплотняющих поршневых колец, расположенных вокруг периферии поршня, при этом по меньшей мере одно из множества уплотняющих колец расположено между первым направляющим поршневым кольцом и первой торцевой стенкой поршня, и по меньшей мере другое из множества уплотняющих колец расположено между вторым направляющим поршневым кольцом и второй торцевой стенкой поршня.