RU2640890C1

RU2640890C1 - Piston machine with airtight seal

Info

Publication number: RU2640890C1
Application number: RU2016133673A
Authority: RU
Inventors: Виктор Евгеньевич Щерба; Александр Павлович Болштянский; Игорь Эдуардович Лобов; Алексей Михайлович Баженов; Алексей Юрьевич Кондюрин; Евгений Александрович Павлюченко; Акан Каербаевич Кужбанов; Иван Павлович Залознов
Priority date: 2016-08-16
Filing date: 2016-08-16
Publication date: 2018-01-12

Abstract

FIELD: machine engineering.SUBSTANCE: piston machine comprises a cylinder 1, a piston 2 arranged with a gap, suction 5 and discharge 6 valves. The sealing device is in the form of liquid-containing cavity 12 between the piston 2 sealing part 10 and the cylinder inner surface in its lower part 13. The cavity 12 is connected by the hole 14 to the tank 15 filled with liquid, when the piston is in bottom dead center.EFFECT: complete tightness of the cylinder-piston group during non-contact operation of the piston.4 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области энергетических машин и касается поршневых компрессоров с бесконтактным поршневым уплотнением, к которым предъявляются жесткие требования по герметичности рабочей полости цилиндра, и предназначенных, например, для сжатия редких газов.The invention relates to the field of energy machines and relates to reciprocating compressors with non-contact piston seals, which have stringent requirements for the tightness of the working cavity of the cylinder, and are intended, for example, to compress rare gases.

Известны поршневые машины, содержащие цилиндр с размещенным в ней с зазором поршнем, соединенным с механизмом привода, всасывающий и нагнетательные клапаны, соединенные соответственно с источником и потребителем газа (см., например, АС №703708, СССР. «Поршень», М кл. F16J 1/00, опубл. 15.12.1979, бюл. №46).Known piston machines containing a cylinder with a piston clearance placed therein, connected to a drive mechanism, suction and pressure valves, respectively connected to a gas source and consumer (see, for example, AS No. 703708, USSR. “Piston”, M class. F16J 1/00, publ. 15.12.1979, bull. No. 46).

Известна также поршневая машина, содержащая цилиндр с размещенным в ней с зазором поршнем, соединенным с механизмом привода, всасывающий и нагнетательные клапаны, соединенные соответственно с источником и потребителем газа, причем в пределах длины зазора между поршнем и цилиндром имеется герметизирующее устройство (см. АС №676752, СССР. «Поршневой компрессор», М. кл. F04B 31/00, опубл. 30.07.1979, бюл. №28).A piston machine is also known, comprising a cylinder with a piston placed in it with a clearance connected to the drive mechanism, suction and discharge valves connected respectively to a gas source and consumer, and there is a sealing device within the clearance between the piston and cylinder (see AC No. 676752, USSR. "Piston compressor", M. class F04B 31/00, publ. 07/30/1979, bull. No. 28).

Недостатком известных конструкций является неполная герметизация рабочей полости цилиндра, в связи с чем при сжатии редких газов неизбежна их потеря.A disadvantage of the known structures is the incomplete sealing of the working cavity of the cylinder, and therefore, when rare gases are compressed, their loss is inevitable.

Технической задачей изобретения является полная герметизация рабочей полости компрессора.An object of the invention is the complete sealing of the working cavity of the compressor.

Указанная задача решается тем, что в поршневой машине, содержащей цилиндр с размещенным в нем с зазором поршнем, соединенным с механизмом привода, всасывающий и нагнетательные клапаны, соединенные соответственно с источником и потребителем газа, причем в пределах длины зазора между поршнем и цилиндром имеется герметизирующее устройство, согласно изобретению поршень выполнен дифференциальным с меньшим диаметром в верхней уплотняющей части и большим диаметром в нижней направляющей часта, а цилиндр имеет ответные сопряженные поверхности, с образованием содержащей жидкость герметизирующей полости между наружной цилиндрической поверхностью поршня и внутренней цилиндрической поверхностью цилиндра.This problem is solved by the fact that in a piston machine containing a cylinder with a piston placed in it with a clearance connected to the drive mechanism, suction and discharge valves are connected respectively to the gas source and consumer, and there is a sealing device within the gap between the piston and the cylinder , according to the invention, the piston is made differential with a smaller diameter in the upper sealing part and a large diameter in the lower guide part, and the cylinder has mating surfaces and, with the formation of a liquid-containing sealing cavity between the outer cylindrical surface of the piston and the inner cylindrical surface of the cylinder.

При нахождении поршня в нижней мертвой точке минимальный объем V герметизирующей полости может определяться уравнением:When the piston is at bottom dead center, the minimum volume V of the sealing cavity can be determined by the equation:

где D и d - соответственно диаметр поршня и нижней направляющей и верхней уплотняющей части, S_h - ход поршня, l - длина верхней уплотняющей части, выступающей над герметизирующей полостью, δ - радиальный зазор между верхней уплотняющей частью поршня и сопрягающейся с ней поверхностью цилиндра. При этом герметизирующая полость может быть соединена отверстием с резервным бачком, наполненным жидкостью, при нахождении поршня в нижней мертвой точке.where D and d are respectively the diameter of the piston and the lower guide and the upper sealing part, S _h is the piston stroke, l is the length of the upper sealing part protruding above the sealing cavity, δ is the radial clearance between the upper sealing part of the piston and the cylinder surface mating with it. In this case, the sealing cavity can be connected by a hole with a reserve tank filled with liquid, while the piston is at bottom dead center.

Герметизирующая полость может быть образована эластичной перегородкой

формы, концы которой имеют утолщения, вставленные в выточки поршня и цилиндра и защемленные втулками, одна из которых запрессована в верхнюю часть цилиндра, а другая напрессована на верхнюю уплотняющую часть поршня.The sealing cavity may be formed by an elastic partition

forms, the ends of which are thickened, inserted into the grooves of the piston and cylinder and pinched by bushings, one of which is pressed into the upper part of the cylinder, and the other is pressed onto the upper sealing part of the piston.

Сущность изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 в упрощенном виде изображена поршневая машина с герметизирующей полостью, заполненной жидкостью, и с резервным бачком, который также заполнен жидкостью.In FIG. 1 shows a simplified view of a piston machine with a sealing cavity filled with liquid and a reserve reservoir, which is also filled with liquid.

На фиг. 2 показана эта же конструкция при положении поршня в нижней мертвой точке (НМТ).In FIG. Figure 2 shows the same design with the piston at bottom dead center (BDC).

На фиг. 3 - она же в положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ).In FIG. 3 - it is also in the piston position at top dead center (TDC).

На фиг. 4 в упрощенном виде показана конструкция поршневой машины с герметизирующей перегородкой

формы.In FIG. 4 shows in a simplified form the design of a piston machine with a sealing wall

forms.

На фиг. 5 и 6 показана эта же конструкция при положении поршня в ВМТ и в НМТ.In FIG. 5 and 6 show the same design with the piston in TDC and BDC.

Поршневая машина (фиг. 1) содержит цилиндр 1, размещенный в нем с зазором поршень 2, соединенный с механизмом привода возвратно-поступательного движения через поршневой палец 3 и шатун 4, всасывающий 5 и нагнетательный 6 клапаны, соединенные соответственно с источником и потребителем газа через линию всасывания 7 и линию нагнетания 8, рабочую полость 9.The piston machine (Fig. 1) contains a cylinder 1, a piston 2 placed therein with a clearance, connected to a reciprocating drive mechanism through a piston pin 3 and a connecting rod 4, suction 5 and pressure 6 valves, respectively connected to the gas source and consumer through suction line 7 and discharge line 8, working cavity 9.

Поршень 2 выполнен дифференциальным с меньшим диаметром d в верхней уплотняющей части 10 (см. также фиг. 2) и большим диаметром D в нижней направляющей части 11, а цилиндр имеет ответные сопряженные поверхности. Между верхней частью 10 поршня 2 и сопряженной с ней частью цилиндра 1 имеется радиальный зазор δ. Ход поршня 2 между ВМТ и НМТ составляет величину Sh.The piston 2 is made differential with a smaller diameter d in the upper sealing part 10 (see also Fig. 2) and a large diameter D in the lower guide part 11, and the cylinder has mating surfaces mating. Between the upper part 10 of the piston 2 and the associated part of the cylinder 1 there is a radial clearance δ. The piston stroke 2 between TDC and BDC is Sh.

Герметизирующее устройство, находящееся в пределах длины зазора между поршнем 2 и цилиндром 1, выполнено в виде содержащей жидкость герметизирующей полости 12 между наружной цилиндрической поверхностью уплотняющей части 10 поршня 2 и внутренней цилиндрической поверхностью цилиндра в его нижней части 13.The sealing device within the gap between the piston 2 and the cylinder 1 is made in the form of a liquid-containing sealing cavity 12 between the outer cylindrical surface of the sealing part 10 of the piston 2 and the inner cylindrical surface of the cylinder in its lower part 13.

Герметизирующая полость 12 соединена отверстием 14 с резервным бачком 15, наполненным жидкостью, при нахождении поршня в нижней мертвой точке (фиг. 2). Отверстие 14 представляет собой узкий капилляр, по которому жидкость из бачка 15 может перетекать в полость 12. Бачок 15 снабжен прозрачным окном 16 для наблюдения за уровнем находящейся в нем жидкости и крышкой-сапуном 17 для доливки при необходимости жидкости и обеспечения поступления воздуха в полость бачка 14 при расходе находящейся в нем жидкости.The sealing cavity 12 is connected by a hole 14 with a reserve tank 15 filled with liquid, while the piston is at bottom dead center (Fig. 2). The hole 14 is a narrow capillary, through which liquid from the tank 15 can flow into the cavity 12. The tank 15 is equipped with a transparent window 16 for monitoring the level of liquid in it and a breather cap 17 for topping up liquid if necessary and ensuring air to enter the cavity of the tank 14 with the flow of fluid in it.

Цилиндр 1 установлен на картере 18, в котором размещены механизм привода движения поршня 2 (условно не показан) и смазочное масло.The cylinder 1 is mounted on the crankcase 18, which houses the mechanism for driving the movement of the piston 2 (not shown conditionally) and lubricating oil.

Поршень 2 в его нижней части 11 сопряжен с нижней частью 13 цилиндра 1 с минимально технологически возможным гарантированным зазором (посадка «движение»).The piston 2 in its lower part 11 is interfaced with the lower part 13 of the cylinder 1 with the minimum technologically possible guaranteed clearance (landing "movement").

Поршневая машина, в которой герметизирующая полость 12 образована эластичной перегородкой 19

формы, показана на фиг. 4. Концы перегородки 19 имеют утолщения 20 и 21, которые вставлены в кольцевые выточки 22 и 23 поршня 2 и цилиндра 1. Эти концы защемлены втулками 24 и 25. Втулка 24 запрессована в верхнюю часть цилиндра 1, а втулка 25 напрессована на верхнюю уплотняющую часть 10 поршня 2.A piston machine in which the sealing cavity 12 is formed by an elastic partition 19

the form shown in FIG. 4. The ends of the septum 19 have

thickenings

20 and 21, which are inserted into the

annular recesses

22 and 23 of the piston 2 and cylinder 1. These ends are clamped by the

bushings

24 and 25. The sleeve 24 is pressed into the upper part of the cylinder 1, and the sleeve 25 is pressed onto the upper sealing part 10 pistons 2.

Поршневая машина работает следующим образом (фиг. 1-3).The piston machine operates as follows (Fig. 1-3).

При возвратно-поступательном движении поршня 2, когда поршень идет вниз (фиг. 2), газ всасывается из линии всасывания 7 через клапан 5 в рабочую полость 9 (клапан 6 при этом закрыт), а при ходе поршня 2 вверх (фиг. 3) - сжимается в этой полости и нагнетается потребителю через клапан 6 (клапан 5 при этом закрыт) и линию нагнетания 8.With the reciprocating movement of the piston 2, when the piston goes down (Fig. 2), gas is sucked from the suction line 7 through the valve 5 into the working cavity 9 (the valve 6 is closed), and when the piston 2 moves up (Fig. 3) - is compressed in this cavity and is pumped to the consumer through valve 6 (valve 5 is closed at the same time) and discharge line 8.

При ходе поршня 2 вниз (фиг. 2) объем полости 12 увеличивается, в ней образуется сильное разрежение в связи с практически несжимаемостью находящейся в ней жидкости, и эта жидкость «отсасывается» из зазора 6 и опускается из него в полость 12. Разрежение в полости 12 намного превышает разрежение в полости 9, где происходит процесс всасывания газа.When the piston 2 moves downward (Fig. 2), the volume of the cavity 12 increases, a strong vacuum is formed in it due to the practically incompressibility of the liquid inside it, and this liquid is “sucked out” from the gap 6 and lowered from it into the cavity 12. The vacuum in the cavity 12 far exceeds the vacuum in the cavity 9, where the process of gas absorption occurs.

При приближении поршня 2 к положению НМТ (это положение и изображено на фиг. 2), когда скорость поршня стремится к нулю, разрежение в полости 12 падает. В этот момент происходит соединение полости бачка 15 с полостью 12 через отверстие-капилляр 14, и некоторое, очень малое количество жидкости перетекает из бачка 15 в полость 12.When the piston 2 approaches the position of the BDC (this position is also shown in Fig. 2), when the piston speed tends to zero, the vacuum in the cavity 12 decreases. At this moment, the cavity of the tank 15 with the cavity 12 is connected through the capillary hole 14, and some, very small amount of liquid flows from the tank 15 into the cavity 12.

При ходе поршня 2 вверх (фиг. 3), отверстие 14 отсекается от полости 12, и начинается сжатие жидкости в этой полости. Одновременно происходит сжатие газа в полости 9, и поэтому давление в полости 12, которая соединена с полостью 9 через зазор 6, становится близким к давлению в полости 9. При этом возникает разность давлений между давлением в полости 12 и давлением под поршнем 2 в полости картера 18, где давление среды близко к давлению всасывания. Под действием этого перепада давления жидкость в незначительном количестве просачивается через зазор между нижней частью 11 поршня 2 и нижней частью 13 цилиндра 1. Впоследствии при ходе поршня 2 вниз, как это описано выше (фиг. 2), эти утечки компенсируются расходом из бачка 15 в полость 12 через отверстие-капилляр 14.When the piston 2 moves upward (Fig. 3), the hole 14 is cut off from the cavity 12, and the compression of the liquid in this cavity begins. At the same time, gas is compressed in the cavity 9, and therefore the pressure in the cavity 12, which is connected to the cavity 9 through the gap 6, becomes close to the pressure in the cavity 9. In this case, a pressure difference arises between the pressure in the cavity 12 and the pressure under the piston 2 in the crankcase 18, where the pressure of the medium is close to the suction pressure. Under the influence of this differential pressure, a small amount of liquid seeps through the gap between the lower part 11 of the piston 2 and the lower part 13 of the cylinder 1. Subsequently, when the piston 2 moves down, as described above (Fig. 2), these leaks are compensated by the flow from the tank 15 to cavity 12 through the capillary hole 14.

К концу хода поршня 2 вверх, вытесняющаяся из полости 12 жидкость занимает весь зазор δ, и фактически объем этого зазора не влияет на производительность машины.By the end of the stroke of the piston 2 upward, the liquid displaced from the cavity 12 occupies the entire gap δ, and in fact the volume of this gap does not affect the performance of the machine.

Для того, чтобы весь зазор δ оказался заполненным жидкостью к концу хода поршня 2 вверх, из полости 12 должна быть вытеснена жидкость в объеме V, который можно определить по формуле (см. также фиг. 2):In order for the entire gap δ to be filled with liquid by the end of the stroke of the piston 2 upward, a liquid in volume V must be forced out of the cavity 12, which can be determined by the formula (see also Fig. 2):

В то же время, фактически вытесненный объем жидкости из полости 12 можно определить по формуле:At the same time, the actually displaced volume of fluid from the cavity 12 can be determined by the formula:

То есть, справедливо соотношение для определения минимального объема полости 12, обеспечивающего заполнение зазора δ к концу хода поршня 2 вверх:That is, the ratio is true for determining the minimum volume of the cavity 12, ensuring the filling of the gap δ to the end of the stroke of the piston 2 up:

Поршневая машина с эластичной перегородкой 19

формы работает следующим образом (фиг. 4-6).Flexible bore piston machine 19

form works as follows (Fig. 4-6).

Рабочие процессы, протекающие в полости 9, происходят аналогично вышеописанным.Work processes in the cavity 9, occur similarly to the above.

При ходе поршня 2 вверх (фиг. 5), конец эластичной перегородки 19, защемленный в верхней части 10 поршня 2 втулкой 25, перемещается вверх вслед за поршнем 2, и перегородка 19 как бы «прокатывается» вверх, объем полости 12 уменьшается, и жидкость из нее поднимается вверх, заполняя зазор δ.When the piston 2 moves upward (Fig. 5), the end of the elastic partition 19, pinched in the upper part 10 of the piston 2 by the sleeve 25, moves upward after the piston 2, and the partition 19 “rolls” upward, the volume of the cavity 12 decreases, and the liquid from it rises up, filling the gap δ.

При ходе поршня 2 вниз (фиг. 6), перегородка 19 опускается вслед за поршнем 2, объем полости 12 растет, и под действием образовавшегося в ней разрежения, жидкость «отсасывается» из зазора δ, опускаясь вслед за перегородкой 19.When the piston 2 moves downward (Fig. 6), the baffle 19 lowers after the piston 2, the volume of the cavity 12 grows, and under the action of the vacuum formed in it, the liquid is "sucked out" of the gap δ, falling after the baffle 19.

Наличие жидкости в полости 12, образованной перегородкой 19, позволяет полностью герметизировать полость 9, т.к. ни один эластомер, из которого может быть изготовлена перегородка 19, не обладает стопроцентной газонепроницаемостью. Это особенно важно при сжатии таких газов, как гелий или водород.The presence of fluid in the cavity 12 formed by the partition 19, allows you to completely seal the cavity 9, because not a single elastomer from which the partition 19 can be made has 100% gas impermeability. This is especially important when compressing gases such as helium or hydrogen.

Кроме того, жидкость предотвращает «высушивание» и последующие за ним растрескивание и разрушение эластомеров, которое происходит при длительном их контакте с осушенными газами.In addition, the liquid prevents "drying" and subsequent cracking and destruction of elastomers, which occurs during prolonged contact with dried gases.

Таким образом, оба рассмотренных варианта выполнения поршневой машины обеспечивают полную герметичность поршневого уплотнения без трения поршня о стенки цилиндра в зоне рабочей камеры, в связи с чем следует считать техническую задачу изобретения полностью выполненной.Thus, both considered embodiments of the piston machine provide complete tightness of the piston seal without friction of the piston against the cylinder walls in the area of the working chamber, and therefore the technical task of the invention should be considered fully completed.

Claims

1. A piston machine with a tight seal, containing a cylinder with a piston placed in it with a clearance, connected to a drive mechanism, suction and discharge valves, respectively connected to a gas source and consumer, and there is a sealing device within the gap between the piston and the cylinder, which differs the fact that the piston is made differential with a smaller diameter in the upper sealing part and a large diameter in the lower guide part, and the cylinder has mating surfaces mating calling a fluid-containing sealing cavity between the outer cylindrical surface of the piston and the inner cylindrical surface of the cylinder.

2. A piston machine with a tight seal according to claim 1, characterized in that when the piston is in the bottom dead center, the minimum volume V of the sealing cavity is determined by the equation

where D and d are, respectively, the piston diameter in the lower guide and the upper sealing part, S _h is the piston stroke,

- the length of the upper sealing part protruding above the sealing cavity, δ is the radial clearance between the upper sealing part of the piston and the surface of the cylinder mating with it.

3. A piston machine with a tight seal according to claim 1, characterized in that the sealing cavity is connected by an opening to a reserve reservoir filled with liquid when the piston is at bottom dead center.

4. A piston machine with a tight seal according to claim 1, characterized in that the sealing cavity is formed by an elastic partition

-shaped, the ends of which are thickened, inserted into the grooves of the piston and cylinder and pinched by bushings, one of which is pressed into the upper part of the cylinder, and the other is pressed onto the upper sealing part of the piston.