一種高效的往復式氣體壓縮機的製作方法

2023-11-04 06:06:32 2

本發明涉及壓縮機技術領域，尤其是涉及一種高效往復式氣體壓縮機。

背景技術：

作為將機械能轉換成氣體壓力能的一種動力裝置，圖1給出的是最為基本的往復式氣體壓縮機的結構示意圖，曲軸的旋轉運動，通過活塞杆6＇成為活塞5＇的直線往復運動。進氣閥座1＇及排氣閥座3＇中的閥片，通常是以閥片上下兩面的壓差隨活塞5＇上下運動時適時關閉或者開啟，這樣由缸蓋2＇、氣缸套4＇以及活塞5＇圍成一個體積(V)及壓力(P)周期變化的空間，空間的大小或者變化可在P-V圖中予以表示，活塞5＇上下往復一次，即一個工作循環，就對應P-V圖中一個封閉的四邊形。如圖二所示，四邊形ABCD中的A點是上一個工作循環的終點，也是下一個循環的始點，即對應於圖1中的活塞5＇上行至最高點，在壓縮機運行過程中不允許有活塞5＇碰撞缸蓋2＇的可能，即往復式氣體壓縮機的每一個工作循環排氣終了時，活塞5＇與缸蓋2＇之間留有少許間隙，這間隙就存有少量壓力為排氣壓力P2的氣體，隨活塞5下行，殘留在缸內壓力為P2的氣體開始膨脹，直至壓力下降至B點，即缸內壓力與進氣系統的壓力相等，這一階段稱膨脹階段，這一階段進排氣閥座均處於關閉狀態，活塞掃過的體積就為VB-VA。

活塞繼續下行，缸內壓力稍低於進氣系統的壓力P1，進氣閥座自動開啟，進氣系統的氣體進入工作缸內至C點，即活塞下行的終點，這一階段稱為吸氣階段，這一階段排氣閥座始終關閉，吸入的體積為VC-VB，活塞也不做功，另外VC-VA是活塞全程掃過的體積。

活塞經C點後開始上行至D點，VC-VD是活塞對缸內氣體由P1壓縮至P2掃過的體積，這一階段為壓縮階段，這一階段進排氣閥座均處於關閉狀態，這一階段活塞對缸內氣體是需要做功的，其做功W的計算公式為：

式中P1·(VC-VB)及P2/P1是反映該壓縮機的兩個重要性能指標，前者P1·(VC-VB)是該機在P1狀態下輸送能力，即VC-VB，而P2/P1反映的是該機壓縮比。顯然輸送量越大，消耗功率也大，同樣P2/P1越大，則所消耗的功率也越大，如P2/P1趨近1，則由上式可以看出，其所消耗的功就接近零。式中K為多變指數，壓送某確定組分的氣體就對應一個確定的K值。

活塞繼續上行，因缸內氣體壓力已經達到P2，排氣閥門開啟，這一階段為排氣階段，這個階段於活塞上行到最高點時結束。排氣的體積為VD-VA，同時活塞與缸蓋之間留有少量體積壓力為P2的氣體就進入下一個工作循環，需說明的是這一階段，活塞將氣體通過排氣閥座壓入排氣系統時需消耗一部分功率。

以上描述了往復式氣體壓縮機運行中其工作循環對應在P-V圖上的一個四邊形ABCD，作了簡要說明，同時也述及功率消耗主要發生在壓縮階段，並給出計算式(1)。

同時，一個工作循環在P-V圖上只能對應一個四邊形，且四邊形面積越大，所耗的功也就越大，除式(1)外還給出排氣溫度與壓縮比之間的關係。

從上式(1)和(2)可以看出，壓縮比P2/P1越大，所耗費功率也越大，排氣溫度也越高，反之，壓縮比越小，如當P1趨近P2時，所耗外功趨近零，排氣溫度也接近進氣溫度。

圖三中四邊形ABCD和四邊形AB＇C＇D＇是同一臺往復式壓縮機壓送同一組分的氣體，且排氣壓力相等的兩個不同工況，四邊形AB＇C＇D＇的進氣壓力P1＇大於四邊形ABCD的進氣壓力P1，顯然四邊形ABCD的面積大於四邊形AB＇C＇D＇的面積，即四邊形ABCD所耗費的功率應大於四邊形AB＇C＇D＇的功率，因為是同一臺壓縮機，這兩個四邊形活塞全程掃過的體積就應相等，即VC-VA＝VC＇-VA，出口壓力壓力相等，所以各自的排氣閥DA與D＇A是重疊在一個水平線上，且D＇A大於DA，從圖3可得：

D＇A＝DA+D＇D

即VD＇-VA＝(VD-VA)+(VD＇-VD)

其中，VD＇-VA是四邊形A＇B＇C＇D＇工況下，將壓力為P1＇、體積為VC＇-VA的氣體壓縮至P2的壓力排出，其量為VD＇-VA。

VD-VA是四邊形ABCD工況下，將壓力P1體積為VC-VA的氣體壓縮至P2的壓力排出，其量為VD-VA。VD＇-VD是上述二個不同工況下，以壓力P2排出的體積之差。

現一臺與圖三相同性能的壓縮機，設定的運行工況為圖三中四邊形ABCD，這樣正常運行時，該機應重複四邊形ABCD下運行。在壓縮階段缸內的壓力低於排氣腔的壓力，現如對該壓縮機僅在壓縮階段時通過某特定技術手段將排氣腔內壓力為P2的氣體引入到工作缸內，如引入的量為圖三中VD＇-VD與已在缸內的壓力為P1的氣體混合後，應等同四邊形AB＇C＇D＇，吸入階段結束時對缸內的氣體壓力為P1＇而不是四邊形ABCD中的吸入階段結束時的P1，在壓縮階段發生在缸內的是將P1＇氣體壓縮至P2，而不是四邊形ABCD中P1壓縮至P2。排氣階段經排氣閥座排出的量是VD＇-VA，而排氣腔內得到的扣除在壓縮階段所注入的，最終得到的仍是四邊形ABCD中所示的VD-VA的量。這樣對於往復式壓縮機，在其運行中的每一個工作循環，如能在壓縮階段時，將排氣系統壓力為P2的氣體引入到工作缸內，這樣真實發生在缸內的壓縮比小於原設定的壓縮比，就減少了原所需功耗，還能保證原設定的性能不發生變化。

通過以上分析可知，本發明前往複式壓縮機運行時，活塞每一次往復就對應在P-V圖唯一的一個四邊形，其壓縮階段的壓縮比就是排氣腔的壓力與進氣腔的壓力之比，且活塞與缸頂部之間沒有任何發生關聯的零部件。

技術實現要素：

本發明的目的在於改變現有技術中往復式氣體壓縮機工作腔部分的結構，在保證原工況不變的條件下，使真實發生在氣缸內的壓縮比小於原設定的壓縮比，從而降低功耗以及排氣溫度，採用的技術方案是：一種高效的往復式氣體壓縮機，包括機身、工作腔部分、傳動部分和輔助部分，所述工作腔部分包括氣缸，所述氣缸包括缸體和缸蓋，所述缸蓋上設有進氣閥和排氣閥，活塞位於所述缸體內且在活塞杆帶動下沿缸體內壁往復運動，所述活塞杆與傳動部分連接，其特徵在於：所述工作腔部分還包括排氣腔，所述排氣腔底部為所述缸蓋，還包括設在所述缸蓋上的注氣閥，當所述活塞上行進入壓縮階段時，所述注氣閥在注氣閥開閉部件帶動下打開，將排氣腔內的氣體注入所述缸體內。

本發明的技術特徵還有：所述排氣腔的頂部為大蓋。

本發明的技術特徵還有：所述注氣閥開閉部件包括與所述活塞連接、且穿過所述排氣閥軸套的連同杆，所述連同杆背離所述活塞的一端設撥動部件，還包括於所述撥動部件配合使用的注氣閥閥瓣打開機構。

本發明的技術特徵還有：所述注氣閥開閉部件包括與所述活塞連接、且穿過缸蓋軸套的連同杆，所述連同杆背離所述活塞的一端設撥動部件，還包括於所述撥動部件配合使用的注氣閥閥瓣打開機構。

本發明的技術特徵還有：所述注氣閥閥瓣打開機構包括與注氣閥閥瓣連接的注氣閥閥杆，所述閥杆與連接件鉸接，所述連接件與被動杆連接，所述被動杆一端連接被動杆支座上，另一端與所述撥動部件相配合。

本發明的技術特徵還有：所述被動杆包括可相對運動的被動杆主杆和被動杆副杆，所述被動杆主杆與所述被動杆支座連接，所述被動杆副杆設與所述撥動部件配合的端部。

本發明的技術特徵還有：所述被動杆主杆與被動杆副杆之間設有扭轉彈簧。

本發明的技術特徵還有：所述被動杆主杆與被動杆支座之間設有拉簧和壓簧。

本發明的有益效果在於：

1)在保證性能不變的前提下，即流量及排氣量不變的條件下，使實際發生在壓縮過程中的壓縮比，小於原先需設定的壓縮比，則所耗費功率低了，即提高了效率。

2)原設定一臺中，高壓往復式壓縮機，需多級壓縮，結構複雜，投資較大，使用本發明可有選擇的對其中某級壓縮比提高，這樣從整體上的設計就可能比原設計少一級或者二級壓縮。

3)採用本發明，不僅提高了效率，因降低實際壓縮比中的壓縮比，也降低了排氣溫度，有利於使用壽命的提升。

附圖說明

附圖1是現有技術中氣體壓縮機原理示意圖，附圖2是P-V圖，附圖3是同一往復式氣體壓縮機兩種不同工況下P-V圖，附圖4是現有技術中排氣閥安置在氣缸頂部的一種結構，

附圖5是本發明實施例一結構示意圖，附圖6-10是實施例一中各個不同動作瞬間位置示意圖，附圖11是排氣閥閥蓋結構示意圖，附圖12是附圖10的俯視圖，附圖13是本發明實施例二。其中：

1＇是進氣閥，2＇是缸蓋，3＇是排氣閥，4＇是氣缸套，5＇是活塞，6＇是活塞杆。

1"是大蓋，2"是安全彈簧，3"是螺栓，4"是螺母，5"是排氣閥閥蓋，6"是排氣閥彈簧，7"是排氣閥閥座，8"是排氣閥閥片，9"是機體，10"是吸氣閥片，11"是缸套，12"是活塞，13"是活塞環，14"是吸氣閥座，15"是排氣閥。

1是小蓋，2是大蓋，3是安全彈簧，4是彈簧座，5是撥動環，6是連同杆，7是螺栓，8是螺帽，9是大墊，10是排氣閥閥蓋，11是排氣閥，12是排氣閥閥片，13是排氣閥閥座，14是活塞，15是軸套，16是注氣閥，17是注氣閥閥杆，18是注氣閥閥體，19是注氣閥閥瓣，20是注氣閥彈簧，21是氣缸套，22是排氣閥彈簧，23是被動杆支座，24是拉簧，25是壓簧，26是小軸，27是被動杆主杆，28是連接件，29是扭轉彈簧，30是被動杆副杆，31是罩蓋，32是缸蓋，33是缸套。

具體實施方式

下面結合附圖，對本發明的具體實施方式進行說明。在本發明之前，往復式氣體壓縮機運行時，活塞每一次往復就對應P-V圖上唯一一個四邊形，其壓縮階段的壓縮比就是排氣腔的壓力與進氣腔的壓力之比，且活塞與缸頂之間沒有任何發生關聯的構件。

在敘述本專利實施措施前，需說明的是往復式壓縮機在結構設計時通常儘可能將排氣閥直接安置在缸蓋頂部。附圖4是將排氣閥安裝在氣缸頂部並包含相臨近構件的眾多結構形式中的一種，需說明排氣閥15"作為一個機構，是由排氣閥閥蓋5"、排氣閥彈簧6"、排氣閥閥座7"及排氣閥閥片8"等組成，並由螺栓3"、螺母4"緊固成一個完整的部件，另外缸套11"外部及機體9"下方為進氣腔，機體9和大概1之間為排氣腔。排氣閥15"通過安全彈簧2"及大蓋1"固定在缸套11"上。

本發明是在往復式氣體壓縮機這一技術領域內，設一個一端在排氣腔內、中間穿過氣缸頂部、另一端則與活塞相連並能與活塞同步上下運動的杆，此杆上下運動時，能適時撥動處在排氣腔內的某種構件，使之能在壓縮階段提拉安裝在氣缸頂部的注氣閥，將排氣腔內的氣體注入正在壓縮的氣缸內，以降低壓縮階段的壓縮比，即降低了功耗及排氣溫度，且原設定的工況需求不變。從以上分析內容可見，實施本技術僅需增設能與活塞同步運動的杆，和缸蓋外並處於排氣腔內的某些構件以及安置在缸蓋上的注氣閥，而這些件僅僅與活塞及氣缸頂部的構件有關。

實施措施：

圖5至圖10表示的是排氣閥安裝在氣缸套頂部，其活塞在其每一個工作循環中的某一小段行程、實施本技術的較為連貫的瞬間。

圖5中排氣腔頂端的連同杆6上裝有撥動環5，連同杆6中部穿過排氣閥11中的軸套15，下端則安裝在活塞14上，這樣連同杆6就能與活塞14同步上下運動。圖5表示的是活塞14下行經膨脹進氣、還有一小段未了的吸氣行程，但還未觸及被動杆前的瞬間。

被動杆由被動杆主杆27、被動杆副杆30和扭轉彈簧29組成，被動杆副杆30能通過扭轉彈簧29對被動杆主杆27作一定角度的順時針旋轉。而被動杆固定在被動杆支座23的小軸26上，這樣被動杆能對小軸26作一定角度的旋轉，被動杆支座23則固定在排氣閥閥蓋10不含排氣流道的徑向條幅上。另外被動杆主杆27與被動杆支座23之間有拉簧24和壓簧25，其中拉簧24的兩端分別固定在被動杆支座23和被動杆主杆27上，壓簧25僅固定在被動杆支座23上。

被動杆主杆27前端有一小孔，與安置在排氣閥11中的注氣閥閥杆17用有足夠強度、無伸縮變形、並與壓送介質不發生反應的連接件28連接，該連接件可選用細鋼絲繩等材料製成。

注氣閥16由注氣閥閥體18、注氣閥閥杆17、注氣閥彈簧20及注氣閥閥瓣19等組成。

被動杆不被撥動環觸碰，即便觸碰，一旦脫離了撥動環5，也能在多個彈簧的作用下恢復到如圖5所示的穩定狀態。

撥動環5隨同活塞14繼續下行，牽動被動杆到最低點，這就是圖6顯示的瞬間。

圖6中的活塞14下行一個瞬間，被動杆就脫離了撥動環5，即恢復到如圖5所示穩定、靜止狀態，撥動環5脫離被動杆後，繼續下行一小段有限的未了的吸氣行程，準備開始上行的瞬間，這就是圖7所示瞬間。活塞14開始上行進入壓縮階段，同樣僅經很小一段行程，撥動環5隨同活塞14自下而上觸碰，但還沒有牽動被動杆的情景，這就是圖8描繪的瞬間。撥動環5隨同活塞14繼續上行，同時抬升被動杆至最高點，即圖10顯示瞬間。

在圖8至圖9這一小段行程，由於被動杆抬升，通過連接件28提拉注氣閥閥杆17，使得注氣閥閥瓣19脫離注氣閥閥體18的密封面，在這一段行程，氣缸內的壓力仍然小於排氣腔內的壓力，這樣在圖8至圖9這一段行程，排氣腔內壓力為P2的氣體通過注氣閥進入氣缸內，提高了缸內的壓力，同時也降低了壓縮階段的壓縮比。

圖10顯示的是活塞上行至最高點的一個瞬間，在這一段行程中活塞對缸內的氣體實施未了的壓縮和排氣，活塞上行到最高點，意味著這一排氣階段結束，即這一工作循環結束，然後活塞下行又開始下一個工作循環。

圖5中被動杆支座23、注氣閥閥體18、軸套15以及螺栓的孔的布置，可以從排氣閥閥蓋10的零件圖(圖11和圖12)中看到，中部直徑為D1的孔安裝軸套，3個直徑為D2的孔設置注氣閥閥體，三個直徑為D3的孔用於安裝螺栓，另外圖11的閥蓋上三個不含排氣通道的徑向條幅上有螺孔Md，用於固定被動杆支座。

另外，從圖11和圖12可出，一個撥動環可同時撥動三個被動杆，即可同時提拉三個注氣閥閥杆17，這樣效果更好。

螺栓及螺母通過大墊9防止軸套15及注氣閥閥體18軸向竄動，還將排氣閥閥蓋10、排氣閥閥座13、排氣閥閥片12及排氣閥彈簧22等組成一個完整的排氣閥部件。

連同杆6上下運動行程同活塞14、小蓋1予以補償。

安全彈簧3通過大蓋2、小蓋1及彈簧座4將排氣閥固定在氣缸頂部。

圖13是氣缸套頂部為缸蓋而不是排氣閥，實施本技術的示意圖，實施本技術的原理及直接用於本技術的零部件與前述相同，不再贅述。

當然，上述說明並非對本發明的限制，本發明也不僅限於上述舉例，本技術領域的普通技術人員在本發明的實質範圍內所做出的變化、改型、添加或替換，也屬於本發明的保護範圍。