Способ накопления энергии в гидродинамическом аккумуляторе

 

Изобретение может быть применено в гидросистемах, например, горных машин. Цель изобретения - расширение области применения и повышение эффективности. Прокачивают жидкость через магистраль 6. гидрокамеру (ГК) 3, полый плунжер (П) 2, дроссельное устройство 9 и линию 8 слива. Устанавливают в аккумуляторе начальный уровень давления жидкости. Включают вибратор 5. создают осевые перемещения П 2 и, воздействуя им на поток жидкости в ГК 3, создают гидроимпульсы давления в потоке прокачиваемой жидкости. Гидроимпульсы давления суммируют на участке от П 2 до сужения 7, образуя в аккумуляторе гидроимпульсное давление, которое суммируется с начальным давлением жидкости. В аккумуляторе накапливают некоторый уровень энергии и мощности. 1 ил.

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

О 8 3 Ш, (5!)5 F 15 В 1/053

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

M (ф

Ql

Oi

С) (21) 4806584/29 (22) 15.01.90 (46) 23.04.92, Бюл. ЬЬ 15 (71) Сибирский. научно-исследовательский институт нефтяной промышленности и Тюменский индустриальный институт им. Ленинского комсомола (72) Г.А.Кулябин и А.Ф.Юдин (53) 621.226 (088.8)

{56) Рабинович E.3, Гидравлика. М.: Недра, 1974, с. 26, рис. 15. (S4) СПОСОБ НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ В

ГИДРОДИНАМИЧЕСКОМ АККУМУЛЯТОРЕ (57) Изобретение может быть применено в: . тидросистемах. например, горных машин.

Цель изобретения — расширение области

„„SU „„1728540A1 применения и повышение эффективности.

Прокачивают жидкость через магистраль 6. гидрокамеру (ГК) 3, полый плунжер (П) 2, дроссельное устройство 9 и линию 8 слива.

Устанавливают в аккумуляторе начальный уровень давления жидкости. Включают вибратор 5, создают осевые перемещения П 2 и, воздействуя им на поток жидкости в ГК 3, создают гидроимпульсы давления в потоке прокачиваемой жидкости. Гидроимпульсы давления суммируют на участке от П 2 до сужения 7, образуя в аккумуляторе гидроимпульсное давление, которое суммируется с начальным давлением жидкости. 8 аккумуляторе накапливают некоторый уровень энергии и мощности. 1 ил.

1 728540

Изобретение относится к машиностроению и может применяться в горном деле, например при бурении скважин с гидравлическими забойными двигателями.

Известен способ накопления энергии, при котором после перекрытия трубопровода в гидросистеме ауммируется несколько импульсов давления в жидкости, заключенной в трубопроводе. Недостатком такого способа является то, что для достижения высокого уровня накапливаемой энергии (А) необходимо поддержать высокую скорость потока жидкости и периодически полностью перекрывать трубопровод, который может разрушаться при больших гидроударах, хотя средневременная величина накопленной энергии в трубопроводе значительно меньше получаемой в конце цикла гидроудара, Кроме того, отбирать мощность из такой системы для совершения полезной работы экономически не выгодно, поэтому такой способ накопления энергии в машиностроении практически не применяется, Известны также способы накопления энергии в гидродинамическом аккумуляторе (авт.св. Иг 1191622, кл. F 15 В i/053; М

1208175, кл, Е 21 В 21/00; N 14б9215, кл. F

15 В 1/053), Однако их эффективная реализация невозможна без длительных экспериментальных исследований в связи с тем, что при накоплении энергии в гидродинамическом аккумуляторе возможно достаточно большое число сочетаний одновременно или раздельно управляемых параметров.

Наиболее близким к изобретению является способ накопления энергии в грузовом гидроаккумуляторе при создании усилия G, направленного на корпус гидроаккумулятора, и периодической подаче жидкости в его гидравлическую камеру.

Недостаток такого способа заключается в том, что энергия в этом случае накапливается периодически при значительном разрыве во времени от начала накопления энергии до момента окончания передачи мощности N от аккумулятора, При этом средние величины А и N за один цикл работы аккумулятора малы, B результате эффективность работы аккумулятора и коэффициент использования (K ) необходимого энергетического оборудования остаются на низком уровне. Повышение К при таком способе накопления энергии связано с увеличением усилия 6, площади поперечного сечения F плунжера аккумулятора или высоты Н поднятия груза, но при этом размеры аккумулятора и мощность для его привода увеличиваются. Замена усилия G усилием от пружин усложняет конструкцию гидроаккумулятора и ведет к снижению надежности в работе асей установки, предназначенной для накопления энергии и передачи мощности от аккумулятора. Чем

5 больше высота Н, тем больше время опускания груза и время передачи N от аккумулятора, в связи с чем темп роста N ниже темпа прироста А. Кроме того, значительные потери энергии обусловлены силами трения в

10 гидроаккумуляторе, в связи с чем резко снижается его КПД, особенно при малогабаритном исполнении, поэтому такие гидроаккумуляторы не применяются в технике.

15 Отмеченные недостатки ограничивают область применения известного способа, чему способствует и ограниченное количество параметров, с помощью которых формируют давление в гидроаккумуляторе .Р

20 согласно соотношению

Р=—

Целью изобретения является расширение области применения гидродинамиче25 ского аккумулятора и повышение эффективности его работы.

Поставленная цель достигается тем, что в способе накопления энергии в гидродинамическом аккумуляторе, включающем со30 здание осевого усилия на элемент его плунжерной пары, формирование статического давления в аккумуляторе путем подачи жидкости в гидрокамеру и слив жидкости из аккумулятора, непрерывно

35 прокачивают жидкость через магистраль нагнетания и гидрокамеру аккумулятора и формируют гидроимпульсное давление созданием вибратором осевых, например гармонических, колебаний плунжерной пары

40 гидроаккумулятора при одновременном или раздельном изменении амплитуды, частоты и фазы осевых колебаний, причем формируют гидроимпульсное давление согласно соотношению

45 .

Рк=05 р с чв(— — соз(вт+р)), vn где PR — величина гидроимпульсного давления в гидроаккумуляторе; р — плотность жидкости;

50 с — скорость распространения малых возмущений в жидкости;

v — максимальная величина скорости осевого перемещения плунжера аккумулятора при вибрации;

55 чл — скорость потока при входе жидкости в аккумулятор; в- частота вибраций плунжера аккумулятора;

5 1728540

Ip — фаза вибраций плунжера аккумулятора:

t — время.

Нэ чертеже показан гидродинамический аккумулятор. разрез, для накопления энергии по предлагаемому способу.

Аккумулятор имеет корпус 1, в котором соосно размещен полый плунжер 2, гидрокамеру 3, расположенную между плунжером 2 и корпусом 1, направляющую траверсу 4, вибратор 5 осевых вибраций плунжера 2, магистраль 6 нагнетания.жидкости с суженинием 7, например с вентилем, линию 9 слива жидкости, дроссельное устройство 8, ограничитель 10 осевых перемещений корпуса 1 относительно плунжера

2, уплотнения 11,. амортизирующую прокладку 12, пружину 13 для подвески магистрали 6.

Имеется также виброграф 14 для измерения осевых вибраций корпуса 1 и плунжера 2 относительно неподвижной траверсы 4, виброграф 15 для измерения осевых вибраций корпуса 1 относительно плунжера 2, манометры 16, 17 для измерения статического давления в аккумуляторе (в магистрали нагнетания жидкости) и под плунжером

2, прибор 18 для измерения и записи в динамике гидроимпульсного давления а гидроаккумуляторе.

Гидродинамический аккумулятор работает следующим образом. Непрерывно прокачивают жидкость через магистраль 6 нагнетания, гидрокамеру 3, полый плунжер

2, дроссельное устройство 9 и линию 8 слива жидкости и устанавливают в аккумуляторе начальный уровень давления жидкости Р».

Затем включают вибратор 5, создают осевые перемещения плунжера 2, воздействуют плунжером 2 на поток жидкости в гидрокамере 3 и создают гидроимпульсы давления в потоке прокачиваемой жидкости. Гидроимпульсы давления суммируются на участке от плунжера 2 до сужения 7 и образуют в гидроаккумуляторе гидроимпульсное давление PR, которое накладывается на давление Рн и регистрируется манометром 16 как статическое, а прибором

18 — в виде виброграмм. В результате повышения давления в гидродинамическом аккумуляторе накапливается определенный уровень энергии и мощности NR.

Предлагаемый способ может быть осуществлен в нескольких вариантах.

Первый вариант. Дано: уровень NR, конструкция гидроаккумулятора с вибратором и соответственно площадь поперечного сечения канала в плунжере аккумулятора йеред дроссельным устройством 9 Ек, площадь поперечного сечения Рр плунжера

/2 PR (4) р . с

Определяют величину осевого усилия на корпус гидродинамического аккумулятора:

GR= к

35 где Ер =0785d>, dp- наружный диаметр плунжера (внутри корпуса аккумулятора).

Рассчитывают амплитуду осевых вибраций плунжера аккумулятора по формуле (5) 40

h= — „" H R р с (6) После расчета h осуществляют подачу Q (в расчетном объеме) жидкости через магистраль 6 нагнетания и через аккумулятор. включают вибратор 5, устанавливают минимально возможный уровень функций соз(в 1 + р }= min, создают расчетное значение давления PR и обеспечивают заданную величину мощности NR.

Второй вариант. Заданы параметры:

NR, Q, F», Fp. p, c, h, rp, k. Рассчитывают величины параметров:

55 PR= —: ч -г-. . бр=

NR. Q PR Fi

0 Гк .к чв = ч2 я ";0i = — ; Fäð =025F. р.с

2 в корпусе 1 аккумулятооа. плотное-ь прокачиваемой жидкост р и скорость звука с в жидкости (в магистрали ее нагнетания). «астота го осевых вибраций вибратора, величина максимального Pmax и начального Р„

5 давлений в магистрали 6 и аккумуляторе, а также коэффициент К обусловленный силами трения в плунжерной паре аккумулятора и величиной его КПД.

Опоеделяют уровень гидроимпульсного

10 давления, который можно обеспечить при заданных Рвах и Рн.

PR = Ртах — Рн, (1) а также величины подачи жидкости 0 в магистраль нагнетания (через аккумулятор) и

15 скорости потока жидкости Чп в магистрали

6 перед аккумулятором из соотношений а = —; (21

NR.

Q

20 чп Г (3)

Устанавливают площадь сечения отвер стия в дроссельном устройстве 9 при Елр ==

=0,25 FK. Затем рассчитывают скорость осевых вибраций плунжера гидродинамического аккумулятора согласно соотношению

1 128540

Загем нагружают осевым усилием гидроаккул улятор„прокачивэют через него жидкость, включают вибратор, устэнэвливэют фазу вибраций

Л Л (p ( и обеспечивают заданные значения PR и NR, Пример (по второму варианту). Дано:

NR = 40 кВт; Q = 0,02 м /с; p= 1200 кгlм; с=1350м/c;k=0,8;h=610 м;Ер=

=0,012 м; Fk =1 10 м; @=90Î.

Рассчитывают .

Ря = 0 02 — 2 МПэ; чп = 0,02/1 10

40 10, 2

1 г 106 1,2 10

= 2 и/с; GR — — 30 кН;

0,8 ч,=. v2 2 10 2=22 м/с;

1200 1350 гд — — = 367 1/с;

2;2 б 10

1 10 -3 2

Едр = — — = 2,5 10 м

После запуска аккумулятора в работу при указанных пэраметрэх и cos(e t + р)=.0 обеспечивают

PRmax =-, Кк = PR Q, т.е.

Р.С Ч2

2чп

1200 1350 2,2 2 МП

PRmax 2 ° 2 МП

NRmax = 2 10 0,03 = 40 кВт.

6 .

Степень эффективности предлагаемого способа нэкопления энергии зависит от назначения гидроаккумуляторэ и его конструктивных особенностей, Эффективность предлагаемого способа накопления энергии в гидродинэмическом аккумуляторе проверена нэ специально разработанном стенде и в условиях скважины при бурении с гидравлическими забойными двигателями. При исследованиях параметры, укаэанные в алгоритме (в соотношениях) для определения PR, изменялись в следующих пределах: p = 0,8...1,3. г/смЗ; с = 60...1350 м/с; h = 0 1...6,0 мм; N = 50...500

1/c; p= 0...90О.

Так, для скважинных условий при р=

=1,2;с=;h=6мм; а=

=5001/c; р =80; Q =35 л/с и Оя =50 кН получают PR = 3,3 МПа и NR = 115 кВт, А =

=135 кДж.

При таких же величинах А и 6 по способу-прототипу груз будет приподнят нэ высоту 0,27 м при возможной реализации мощности N всего в 27 кВт.

Повышение коэффициента эффективности работы гидроаккумуляторэ при предлэ20

40 гэемом способе накопления энергии можно оценить по формуле

NR

Кд = где NR=7ул .PR 0; и =(7р Р . Г Н):t;

rgl, rp — коэффициенты, учитывающие влияние сил трения в плунжерной паре гидроаккумуляторов;

Р— давление в аккумуляторе;

F — площадь плунжера аккумулятора;

Н вЂ” высота поднятия груза, действующего нэ корпус аккумулятора;

t — текущее время.

Расчеты показа>.и, что даже при условии

PR = Р величина к, в среднем может возрастать в 2„.5 рэз.

Тэк кэк при вибрациях коэффициент трения между взаимодействующими поверхностями снижается на порядок, i/1 может

cîoñcòTà îDfëlÿRòTü b о0кKоolлlо o 11, тогда как р для аккумуляторов, накапЛивающих энергию по способу, принятому за прототип, изменяется от

0,80 до 0.92. Следовательно, реализация предлагаемого способа накопления энергии позволяет увеличить КПД гидроэккумуляторов от 8 до 20a/o.

Изобретение позволяет повысить эффективность и расширить область применения гидродинэмического аккумулятора, э также укрепить надежность обеспечения требуемого уровня накапливаемой энергии; повысить КПД аккумулятора в связи со снижением коэффициента трения в плунжерной паре при вибрациях; повысить коэффициент использования необходимого энергетического оборудования, так как накопление в аккумуляторе и передэча мощности от него могут осуществляться практически непрерывно.

Формула изобретения

Способ накопления энергии в гидродинамическом аккумуляторе, включающий создание осевого усилия на элемент плунжерной пары, формирование статического давления в аккумуляторе путем подачи жидкости в гидрокамеру и слив жидкости из аккумулятора, о т л и ч э юшийся тем, что, с целью расширения области применения и повышения эффективности его работы, непрерывно прокэчивэют жидкость через магистраль нагнетания и гидрокамеру аккумулятора и формируют гидроимпульсное давление созданием вибратором осевых, например гармонических, колебаний плунжерной пары гидроаккумулятора при одновременном или раздельном изменении амплитуды, частоты

1728540

10 и фазы осевых колебаний, причем формируют гидроимпульсное давление согласно соотношению

Рн-0,5 р С чв(— — соз (в1+ф)), ve

Чп

Составитель Г; Куля бин

Техред М.Моргентал Корректор С. Шевкун

Редактор Г. бельская. Заказ 1393 Тираж Подписное, ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул;Гагарина, 101 где Ря - величина гидроимпульсного давления в гидроаккумуляторе; р- плотность жидкости; с — скорость распространения малых возмущений в жидкости; че — максимальная величина скорости осевого перемещения плунжера аккумулятора при вибрации; чп — скорость потока при входе жидко5 сти в аккумулятор; а- частота вибраций плунжера аккумулятора;

rp- фаза вибраций плунжера аккумулятора;

10 1 — время.