На процессы, протекающие в рабочих камерах поршневых компрессоров, существенное влияние оказывает массообмен. В многоступенчатых компрессорах он возможен между различными ступенями, разделяемыми уплотнением дифференциального поршня. В ступенях двойного действия существуют перетечки газа между отдельными полостями одной ступени, разделенными уплотнением дискового поршня. В компрессорах с тронковым поршнем газ перетекает из рабочей камеры в атмосферу. В ступенях с дисковым поршнем это происходит через уплотнения штока.
Уплотнения поршней и штоков должны обеспечить не только достаточную герметичность рабочих камер, но и малые затраты мощности на преодоление трения между перемещающимися относительно друг друга деталями уплотнения, их долговечность и надежность работы. В каждом уплотнении канал, соединяющий соседние камеры с различными параметрами газа, образован из ряда последовательно расположенных полостей, соединенных узкими щелями. Увеличение сопротивления щели уменьшает расход газа через нее, т. е. утечки в атмосферу или перетечки внутри машины.
В зависимости от зазора между деталями, образующими щель, можно классифицировать все уплотнения на следующие группы.
- Контактные уплотнения, в которых перемещающиеся детали касаются друг друга.
- Бесконтактные уплотнения, в которых поверхности перемещающихся относительно друг друга деталей не соприкасаются и механическое трение между ними отсутствует. Снижение расхода газа через уплотнение происходит из-за гидравлических сопротивлений перемещению среды.
- Комбинированные уплотнения, в которых сочетаются элементы контактного и бесконтактного уплотнений. Характерным для уплотнений этой группы является возможность изменения режима работы с переходом от контактного уплотнения поршня на бесконтактный.
Проектируя уплотнения, необходимо учитывать следующие факторы:
- сведения о компрессоре;
- допустимые значения мощности, затрачиваемой на преодоление трений в уплотнении;
- надежность работы и долговечность уплотнения;
- сложность, стоимость его изготовления и эксплуатации. Уплотнение поршня кольцами представляет собой совокупность местных сопротивлений движению газа в канале между поверхностями поршня, поршневых колец и цилиндра.
Этот канал разделяется кольцами на ряд объемов, называемых межкольцевыми или закольцевыми, которые соединяются между собой следующими щелями, образующимися:
- между наружной поверхностью кольца и цилиндром;
- между боковыми поверхностями кольца и стенкой канавки в поршне;
- в замке кольца. Высота щели (зазор) определяется микронеровностями обработки поверхностей.
Условимся нумеровать кольца и межкольцевые объемы от рабочей камеры. При перетечке газа через щели теряется давление на создание скорости и преодоление трений о стенки. Попадая в межкольцевой объем, струя газа из-за трений затормаживается и кинетическая энергия ее превращается в тепловую. За каждым кольцом давление снижается и после последнего становится равным давлению в объеме за уплотнением.