Поршневая гибридная машина

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано при создании поршневых высокоэффективных машин для сжатия и перемещения газов и жидкостей. Машина содержит цилиндр 1 и размещенный в нем с радиальным зазором 2 поршень 3 с компрессорной 5 и насосной 6 полостями. На цилиндрической поверхности поршня имеется канавка 15, разделяющая его поверхность на две части 16 и 17. Боковые поверхности канавок расположены под острым углом к оси поршня 3 и цилиндра 1 в направлении к компрессорной полости 5. Объем канавки определяется выражением:

где V - объем канавки, D - диаметр поршня, δ - радиальный зазор между поршнем и цилиндром, - средний перепад давления на поршне в процессе сжатия-нагнетания газа, L - длина цилиндрической части поршня, заключенная между нижним выступом канавки и нижним торцом поршня, µ - динамическая вязкость жидкости, τ - время, за которое поршень перемещается из нижней мертвой точки в верхнюю мертвую точку и наоборот, - средняя скорость поршня, с которой он перемещается из нижней мертвой точки в верхнюю мертвую точку и наоборот. Повышается КПД при сравнительно больших зазорах и надежность пуска. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области энергетики, гидравлических и пневматических устройств и систем и может быть использовано при создании поршневых высокоэффективных машин для сжатия и перемещения газов и жидкостей, особенно в тех случаях, когда давление нагнетания жидкости относительно невелико (4-6 бар), а давление газа его значительно превосходит (например, 10-12 бар).

Известна поршневая гибридная машина, содержащая цилиндр и размещенный в нем с радиальным зазором поршень с образованием компрессорной и насосной полости (см. RU 125635 U1, 10.03.2013).

Известна также поршневая гибридная машина, содержащая цилиндр и размещенный в нем с радиальным зазором поршень с образованием компрессорной и насосной полости, причем на цилиндрической поверхности поршня имеется как минимум одна канавка, выполненная в виде углубления в теле поршня и разделяющая его поверхность вдоль цилиндрической образующей на две части (RU 118371 U1, 20.07. 2012).

Недостатком известных конструкций является их низкая экономичность при сжатии газов до высокого давления газа в одной ступени в связи с большими утечками и невозможность обеспечения приемлемой экономичности при работе на сравнительно больших зазорах в цилиндропоршневой группе (порядка 30-50 мкм), что затрудняет ее изготовление. При использовании малых (порядка 10-15 мкм) зазоров из-за неравномерности прогрева по длине поршня и цилиндра в процессе пуска работа машины находится под постоянной угрозой заклинивания поршня в цилиндре. Все это вместе взятое снижает экономичность работы и надежность машины в период пуска.

Технической задачей изобретения является повышение экономичности поршневой гибридной машины и обеспечение ее надежного бесконтактного пуска.

Указанная задача решается тем, что в известной поршневой гибридной машине, содержащей цилиндр и размещенный в нем с радиальным зазором поршень с образованием компрессорной и насосной полости, причем на цилиндрической поверхности поршня имеется канавка, выполненная в виде углубления в теле поршня и разделяющая его поверхность вдоль цилиндрической образующей на две части, согласно изобретению, боковые поверхности канавки расположены под острым углом к оси поршня и цилиндра в направлении к компрессорной полости, причем объем канавки определяется выражением:

где V - объем канавки, D - диаметр поршня, δ - радиальный зазор между поршнем и цилиндром, - средний перепад давления на поршне в процессе сжатия-нагнетания газа, L - длина цилиндрической части поршня, заключенная между нижним выступом канавки и нижним торцом поршня, µ - динамическая вязкость жидкости, τ - время, за которое поршень перемещается из нижней мертвой точки в верхнюю мертвую точку и наоборот, - средняя скорость поршня, с которой он перемещается из нижней мертвой точки в верхнюю мертвую точку и наоборот.

Упомянутая канавка может быть соединена с насосной полостью каналом с дросселем и обратным самодействующим клапаном, направленным в сторону канавки, причем диаметр дросселя d определяется уравнением:

, где

где Q - объемный расход жидкости через радиальный зазор δ из насосной полости в канавку при ходе поршня из верхней мертвой точки в нижнюю мертвую точку, d - диаметр дросселя, ρ - плотность жидкости, α - коэффициент расхода жидкости через дроссель.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 упрощенно изображено продольное сечение цилиндропоршневой группы машины, а на фиг. 2 - фрагмент цилиндропоршневой пары в случае использования для подпитки канавки через дроссели и обратный клапан.

Поршневая гибридная машина (фиг. 1) содержит цилиндр 1 и размещенный в нем с радиальным зазором 2 поршень 3 со штоком 4 с образованием компрессорной 5 и насосной 6 полости, соединенные с источником и потребителем сжатого газа и жидкости всасывающими клапанами 7 и 8, линиями всасывания 9 и 10, нагнетательными клапанами 11 и 12 и линиями нагнетания 13 и 14. На цилиндрической поверхности поршня имеется канавка 15, выполненная в виде углубления в теле поршня 3 и разделяющая его поверхность вдоль цилиндрической образующей на две части 16 и 17, причем боковые поверхности канавки расположены под острым углом А и В к оси поршня 3 и цилиндра 1 в направлении к компрессорной полости 5, а часть 17 поршня 3 имеет длину L.

Канавка 15, разделяющая поверхность поршня 3 вдоль его цилиндрической поверхности на две части, может быть соединена с насосной полостью 6 каналом 18 с дросселем 19 и обратным самодействующим клапаном 20, направленным в сторону канавки 15 (фиг. 2).

Машина работает следующим образом.

При возвратно-поступательном движении поршня 3 газ всасывается через линию всасывания 9 и открывшийся клапан 7 в полость 5 (поршень 3 идет вниз), затем сжимается в этой полости при закрытых клапанах 7 и 11 и нагнетается потребителю через открывшийся клапан 11. Одновременно при ходе поршня 3 вверх происходит всасывание жидкости из линии всасывания 10 через открывшийся клапан 8 в полость 6, а при ходе поршня 3 вниз жидкость сжимается в этой полости и подается потребителю через открывшийся клапан 12 и линию нагнетания 14.

При ходе поршня 3 вниз, когда в полости 6 происходит сжатие и нагнетание жидкости, она под перепадом давления между давлением нагнетания жидкости (процесс сжатия очень короткий в связи с малой сжимаемостью жидкости) и давлением всасывания газа в полости 5 проникает через зазор 2 в канавку 15 и постепенно заполняет ее полностью к моменту прихода поршня 3 в верхнюю мертвую точку. Следовательно, для гарантированного заполнения канавки 15 жидкостью должно выполняться условие: объемный расход жидкости через зазор 2 длиной L части 17 поверхности поршня должен быть равен объему V канавки 15.

Объемный расход жидкости Q через узкую щель с подвижной стенкой в сторону, противоположную движению стенки, на основании уравнения Навье-Стокса выражается зависимостью:

где В - ширина щели высотой δ, τ - время истечения, ν - скорость движения подвижной стенки, Δр - перепад давления на щели, l - длина щели, µ - динамическая вязкость жидкости. В данном случае ширина щели - это длина окружности поршня 3 с диаметром D, а l - длина L части 17 поршня 3.

Полагая давление в полости 5 во время всасывания газа близким к постоянному и считая близким к постоянному давление жидкости в полости 6 во время процесса сжатия-нагнетания, после несложных преобразований уравнение для определения объема V канавки 15 для ее гарантированно полного заполнения будет выглядеть следующим образом:

где - средний перепад давления на поршне в процессе сжатия-нагнетания газа, - средняя скорость поршня, с которой он перемещается из нижней мертвой точки в верхнюю мертвую точку и наоборот.

При ходе поршня 3 вверх газ в полости 6 сжимается и на поршне 3 появляется перепад давления между полостями 5 (большее давление) и 6 (меньшее давление). Под действием этого перепада давления жидкость из канавки 15 истекает назад в зазор 2 части 17 поверхности поршня и далее - назад в полость 6. Оставшаяся «пустой» канавка 15 в силу своей формы начинает выполнять роль завихрителя потока газа (она имеет форму половины пневмодиода), препятствующего его течению из полости 5 в зазор 2. Таким образом, на ходе сжатия-нагнетания газа в полости 6, на пути утечек большую часть времени процесса находится гидрозатвор и повышенное сопротивление течению газа в виде канавки 15.

В том случае, когда давление нагнетания в полости 6 по условиям работы потребителя жидкости слишком мало для того, чтобы жидкость могла заполнить зазор δ на длине L и заполнить канавку 15 (например, потребителем является система смазки разбрызгиванием), заполнение канавки 15 производится дополнительно через канал 18, дроссель 19 и клапан 20 при ходе поршня 3 вниз (фиг. 2). В этом случае суммарный объем жидкости, поступившей в канавку 15, рассчитывается как сумма расходов через щель с зазором δ и дроссель диаметром d.

Объемный расход жидкости через дроссель 19 Qd производится по формуле, справедливой для течения жидкости через отверстие:

где d - диаметр дросселя, ρ - плотность жидкости, α - коэффициент расхода, принимается равным 0,6 для отверстий типа «простая диафрагма» и равным 0,7 для суживающихся отверстий с выходным отверстием диаметром d.

Тогда объемный расход жидкости, который должен пройти через дроссель 19, определяется как

Qd=V-Q

где V - объем канавки, a Q - объемный расход через щель зазора 2.

После подстановки в это уравнение значений V и Q и решения его относительно d получается уравнение для определения диаметра дросселя:

где

Таким образом, в течение всего цикла работы машины в зазоре 2 между поршнем 3 и цилиндром 1 находится жидкость, которая создает эффективное уплотнение зазора 2, что позволяет увеличить этот зазор между поршнем 3 и стенками цилиндра 1 при сохранении высокой уплотняющей способности цилиндропоршневой пары.

В связи с этим большая температурная неравномерность, имеющая место при пуске машины, не приводит к критическому уменьшению зазора 2 и возникновению угрозы заклинивания поршня 3 в цилиндре 1.

Кроме того, постоянно циркулирующая в зазоре 2 жидкость хорошо охлаждает стенки полости 6, непосредственно окружающие сжимаемый газ, что приводит к повышению КПД газовой полости за счет отвода теплоты от газа в процессе сжатия, приближая этот процесс к изотермическому.

Указанные обстоятельства приводят к повышению экономичности поршневой гибридной машины и обеспечению ее надежного бесконтактного пуска.

В связи с изложенным следует признать, что поставленная техническая задача полностью выполнена.

1. Поршневая гибридная машина, содержащая цилиндр и размещенный в нем с радиальным зазором поршень с образованием компрессорной и насосной полости, причем на цилиндрической поверхности поршня имеется канавка, выполненная в виде углубления в теле поршня и разделяющая его поверхность вдоль цилиндрической образующей на две части, отличающаяся тем, что боковые поверхности канавки расположены под острым углом к оси поршня и цилиндра в направлении к компрессорной полости, причем объем канавки определяется выражением

где V - объем канавки, D - диаметр поршня, δ - радиальный зазор между поршнем и цилиндром, - средний перепад давления на поршне в процессе сжатия-нагнетания газа, L - длина цилиндрической части поршня, заключенная между нижним выступом канавки и нижним торцом поршня, µ - динамическая вязкость жидкости, τ - время, за которое поршень перемещается из нижней мертвой точки в верхнюю мертвую точку и наоборот, - средняя скорость поршня, с которой он перемещается из нижней мертвой точки в верхнюю мертвую точку и наоборот.

2. Поршневая гибридная машина по п. 1, отличающаяся тем, что канавка, разделяющая поверхность поршня вдоль его цилиндрической поверхности на две части, соединена с насосной полостью каналом с дросселем и обратным самодействующим клапаном, направленным в сторону канавки, причем диаметр дросселя d определяется уравнением
где

где Q - объемный расход жидкости через радиальный зазор δ из насосной полости в канавку при ходе поршня из верхней мертвой точки в нижнюю мертвую точку, d - диаметр дросселя, ρ - плотность жидкости, α - коэффициент расхода жидкости через дроссель.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к поршневым машинам с бесконтактными лабиринтными уплотнениями и может быть использовано при создании высокоэкономичных поршневых насос-компрессоров.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к радиально-поршневым насосам, используемым для нагнетания жидкости с высоким давлением. Насос с жесткой связью шатуна с поршнем содержит корпус 1 с, по меньшей мере, одним цилиндром 2, в котором с образованием рабочей камеры 3 установлен выполненный за одно целое с шатуном 4 поршень 5 с опорным 6 и уплотнительным 7 элементами.

Изобретение относится к области компрессоростроения и предназначено для соединения поршня высшей ступени сжатия с поршневой группой низшей ступени сжатия. Шток составного дифференциального поршня поршневого компрессора представляет собой стержень, у одного конца которого выполнен присоединительный участок 1, а у другого конца выполнен участок 2 с наружной резьбой.

Изобретение может быть использовано в устройствах дозирования топлива. Поршень для устройства дозирования топлива, изготовленный из алюминиевого сплава, содержит упрочненную интенсивной пластической деформацией головку (1) с ультрамелкозернистой структурой материала.

Изобретение относится к поршневым компрессорам. Дисковый поршень двойного действия - состоит из двух полых литых деталей 1 и 2, изготовленных из магниевого сплава.

Заявляемая группа изобретений относится к области машиностроения, а именно к компрессоростроению, и может быть использована в цилиндрах различного назначения, в частности в цилиндропоршневых узлах поршневых компрессоров.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к компрессоростроению. Шток поршневой состоит из цилиндрического стержня, на боковой поверхности которого последовательно выполнены первый резьбовой участок (1), рабочий участок (3), упорный бурт (4), посадочная поверхность под поршень (5) и второй резьбовой участок (6).

Изобретение относится к поршневой машине (10, 40), содержащей по меньшей мере один цилиндр (12a, 12b) и одну головку (18a, 18b) цилиндра, закрывающую отверстие цилиндра (12а, 12b). .

Изобретение относится к двойным цилиндропоршневым блокам, предназначенным для использования в двигателях и поршневых компрессорах высокого давления. .

Изобретение относится к области компрессоро- и насосостроения и может быть использовано при создании быстроходных и экономичных машин объемного действия, к которым предъявляются высокие требования по массогабаритным и экономическим показателям.

Изобретение относится к области насосо- и компрессоростроения и может быть использовано при создании поршневых машин объемного действия, предназначенных для сжатия и подачи потребителю одновременно или попеременно жидкостей и газов.

Изобретение относится к области насосо- и компрессоростроения и может быть использовано при создании гибридных поршневых машин объемного действия преимущественно малой и средней производительности, предназначенных для сжатия и подачи потребителю одновременно или попеременно жидкостей и газов.

Изобретение относится к области насосо- и компрессоростроения и может быть использовано при создании машин для сжатия и подачи одновременно или попеременно жидкостей и газов.

Изобретение относится к области машин объемного действия, предназначенных для сжатия и перемещения жидкостей и газов, в которых предъявляются высокие требования к равномерности подачи жидкости.

Изобретение относится к области поршневых машин объемного вытеснения. Способ работы агрегата заключается в попеременном последовательном сжатии в надпоршневой полости цилиндра газа при ходе поршня в сторону газовых распределительных органов и сжатии жидкости в подпоршневой полости цилиндра при ходе поршня в противоположную сторону, к жидкостным распределительным органам.

Изобретение относится к области гидравлической и пневматической техники. Насос-компрессор состоит из цилиндров 1 и 2 с поршнями 3 и 4.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к поршневым насосам, используемым для нагнетания жидкости с высоким давлением, например, при откачке воды или нефти из глубоких скважин.

Изобретение относится к области насосо- и компрессоростроения и может быть использовано при создании машин, предназначенных для сжатия и подачи потребителю одновременно или попеременно жидкостей и газов.

Изобретение относится к области насосо- и компрессоростроения и может быть использовано в поршневых машинах объемного действия, для одновременной или попеременной подачи жидкостей и газов.
Наверх