Побудитель движения жидкой среды

Изобретение относится к насосно-компрессорной технике. Изобретение заключается в принципе побуждения движения жидкости посредством группы вытеснителей. Непрерывное перемещении среды создается при воздействии на среду группой свободных вытеснителей, совершающих координированные возвратно-поступательные перемещения в направлении поперек движения потока среды в канале. Вытеснители приводятся в движение линейными электрическими серводвигателями с сердечниками из постоянных магнитов, расположенных в вытеснителях. Обеспечиваются низкие удельные массовые показатели, возможность перемещения малых объемов среды, герметичность конструкции, отсутствие внешних уплотнений, отсутствие застойных зон, возможность самоочистки, механическая простота конструкции. 6 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Известен принцип побуждения движения жидкой или газообразной среды и устройство для его реализации - винтовой насос либо компрессор, в котором рабочий орган вращается, а эффект побуждения создается при всасывании порции среды, ее последующей отсечки от зоны всасывания с помощью дополнительных устройств, перемещении порции среды вдоль винтового канала и выталкивании (с сжатием) порции среды в зону нагнетания (см. например Жмудь А.Е. Винтовые насосы с циклоидальным зацеплением. М. - Л.: 1963, US Patent 514659 Suction and force apparatus for pumping fluids, 1894). В винтовых компрессорах происходит промежуточное сжатие среды при перемещении вдоль винтового канала (Хисамеев И.Г., Максимов В.А. Двухроторные винтовые и прямозубые компрессоры. Теория, расчет и проектирование Казань.: 2000, стр. 12, US Patent 2287716 Fluid device, 1942, GB Patent 342791 Improvements in and relating to rotary machines for the compressions or propulsion of fluids, 1925). Дополнительными устройствами могут являться винты либо особые разделители для случая одного основного винта, а открытый вход с наклоном винта оказывается достаточным в случае классической конструкции водоподъемного винта Архимеда. Особенностью данного принципа является перемещение порции среды от зоны всасывания до зоны нагнетания и внешнее сжатие среды при ее выталкивании в область нагнетания, а также то, что "функцию механизма газораспределения … выполняют вращающиеся роторы" (Хисамеев. стр. 28). Данный принцип используется в работе устройств по патентам RU 2212564, RU 2493436, RU 2643891, RU 2457362, в коих предлагаются меры по совершенствованию конструкции роторов, узлов его опирания на подшипники, передачи гидравлических усилий на корпус, снижения утечек/повышения эффективности за счет выбора геометрии профилей зуба и впадины. Данные патенты на изобретения решают задачу повышения надежности и снижения затрат на движение среды в винтовых компрессорах. Указанный принцип реализован во множестве конструкций насосов и компрессоров и широко используется в промышленности (Например. Быков А.В. Холодильные компрессоры. Справочник. М.:1992).

Известен поршневой насос/компрессор, в котором эффект перемещения и сжатия среды реализован за счет периодического изменения объема рабочей зоны при возвратно-поступательном движении поршня и использовании клапанных устройств для отсечки зон всасывания и нагнетания. Например, Пластинин П.И. Теория и расчет поршневых компрессоров, - М.: 1987 стр. 7 - "Объемные компрессоры повышают давление газа путем уменьшения замкнутого объема (камеры), содержащего определенное количество газа." и на стр. 10 - "процесс сжатия в объемных компрессорах происходит периодически".

Наиболее близкими к заявляемому устройству являются патент RU 2051461 Электродвигатель-компрессор, 1992, в котором описан свободнопоршневой компрессор с внешним электромагнитным приводом и ферромагнитным поршнем, и патент FR 591679 Pompe ratative, 1925, где заявляется винтовой насос, у которого роторы набраны из пар «кулачок - ответная впадина» со сдвигом по углу установки на роторах.

Предлагаемое устройство совмещает в себе основные принципы работы поршневых и винтовых машин как устройств объемного сжатия.

Недостатками винтовых роторных устройств являются неустранимые застойные зоны в уплотнениях либо в узлах передачи момента движения и опорах вращения, а также и высокие требования к точности изготовления винтовых поверхностей и механизма привода. Имеется также ограничение снизу по достижимым рабочим расходам вследствие трудностей изготовления винтовых пар малого размера. Массовые показатель (отношение массы конструкции в кг к расходу в нм³/час) составляет величины в диапазоне от 2,5 до 9 для давлений подачи около 8-ю бар, например, для машин от Atlas Сорсо. Для поршневых устройств характерны неустранимых мертвые объемы, механическая сложность конструкции и связанная с этим ограниченная эксплуатационная надежность, а также определенные ограничения для уменьшения размеров конструкций.

Изобретение направлено на устранение указанных недостатков и на решение следующих технических задач:

- снижение удельного показателя - отношения массы устройства к расходу среды,

- перемещение малых расходов среды,

- герметичность конструкции,

- отсутствие внешних уплотнений

- отсутствие мертвых и застойных зон,

- самоочистка

- обеспечение более высокой механической надежности конструкции.

Для устранения указанных недостатков и решения поставленных задач предлагается устройство побуждения движения жидкой среды, состоящего из канала, в котором расположен исполнительный механизм, и внешнего бесконтактного электромагнитного привода исполнительного механизма. В исполнительном механизме применена система из независимых секторных подвижных вытеснителей, приводимых в движение внешним электромагнитным полем в направлении, перпендикулярном направлению движения среды в канале.

Дополнительно, предлагается вытеснители выполнить магнитоактивными и содержащими в себе постоянные магниты для обеспечения плоского либо вращательного возвратно-поступательного движения каждого вытеснителя при внешнем электромагнитном воздействии.

Дополнительно, предлагается для управления возвратно-поступательным движением вытеснителями использовать устройство обратной связи по положению каждого вытеснителя в канале.

Дополнительно, предлагается использовать не менее 4-х вытеснителей в ступени перемещения для обеспечения разделения зон разного давления.

На чертежах изображено описываемое устройство, где на фиг.1 изображена схема устройства для случая плоского канала с 4 вытеснителями, на фиг.2 - схема устройства для случая кольцевого цилиндрического канала с 4 вытеснителями, на фиг.3- особенности устройства по фиг. 1, сечения вдоль и поперек вытеснителя. На фиг.4- режим самопромывки устройства по фиг.2, показаны только вытеснители, на фиг.5- последовательность движения вытеснителей по фазам и тактам для группы из 4-х вытеснителей, на фиг.6- последовательность движения вытеснителей по фазам и тактам для случая 2-х ступеней сжатия / 4 вытеснителя на ступень, на фиг.7 - последовательность движения вытеснителей по фазам и тактам для цилиндрического канала, развертка для 2-х групп из 4-х вытеснителей, (условно "верх/низ"), на фиг.8-последовательность и принцип одновременного движения вытеснителей по фазам и тактам. вариант для 6 вытеснителей. На фиг.9- оценки динамики движения вытеснителя, предельного расхода и весового совершенства устройства, а также серийных компрессоров ATLAS СОРСО на 8…9 бар подачи.

Устройство состоит из группы свободных вытеснителей (более 4 штук в одной ступени сжатия), например, в плоском канале (фиг. 1), причем вытеснители могут перемещаться поперек канала. Снаружи канала расположен электромагнитный привод с датчиками положения вытеснителей (фиг. 2). Привод создает знакопеременную силу, действующую на каждый вытеснитель. Корпус канала выполнен из немагнитного материала. Вытеснители содержат внутри постоянные магниты. Вытеснители выполнены так, что сила, действующая на них вследствие разности давлений в зонах нагнетания и всасывания, передается на корпус канала и не препятствует перемещению вытеснителей. Зазоры в указанной схеме устройства являются обязательными для обеспечения кинематической подвижности вытеснителей.

Геометрия канала может быть отличной от плоской, например, его форма может быть цилиндрической, сферической, конической, т.е. осесимметричной с разверткой, близкой к показанной на фиг.7. На фиг.2 показана схема устройства в кольцевом канале с двумя группами свободных вытеснителей, выполненных в виде секторов. Число групп секторов четное. Такая компоновка позволит конструировать устройства данного принципа с полной промываемостью всех поверхностей при специальном режиме работы, при котором смежные вытеснители вращаются так, чтобы все поверхности омывались средой – фиг.4. Также при кольцевом устройстве обеспечивается полная динамическая сбалансированность. Кольцевая форма канала имеет определенные конструктивные преимущества при работе под избыточным давлением.

Длина вытеснителя определяется следующими соображениями

- кинематической целостностью группы вытеснителей, что подразумевает длину, обеспечивающую перекрытие посредством прилегающих вытеснителей в крайних положениях для разделения зон разного давления

- размещением в вытеснителе постоянных магнитов для обеспечения потребной степени сжатия и динамики движения.

Площадь сечения вытеснителя определяет объемный расход через ступень, что показано ниже в описании цикла работы устройства.

Силы трения между соседними вытеснителями и корпусом могут быть уменьшены стандартными конструктивными приемами - ограничением поверхности контакта при снижении относительной скорости вытеснителей до величины в 4…5 м/с в среднем и наибольшей скоростью до 8…10 м/сек, причем скорость относительно корпуса не достижима более 4…5 м/сек, исходя из практических показателей современных линейных сервоприводов. Следует принять во внимание и силу отталкивания соседних вытеснителей вследствие взаимодействия магнитов с одноименными полюсами, которая действует в сторону уменьшения трения. Наибольшая составляющая боковой силы воздействия на вытеснители определяется разностью давлений в ступени. Боковая сила от разности давлений на вытеснитель меняется по тактам в цикле движения для каждого вытеснителя. Следует ожидать, что силовое воздействие вдоль потока среды будет ограничивать достижимый перепад давлений в одной ступени, но не предельное давление сжатия в многоступенчатой конструкции. Перетекания среды вследствие разности давлений на вытеснителях будут определяться конструкцией соприкасающихся поверхностей и являться фактором ограничения производительности устройства.

Принцип формирования потока среды из зоны низкого давления в зону нагнетания показан на фиг.5.

Последовательность и порядок одновременного движения вытеснителей по фазам и тактам показаны для случая четырех вытеснителей в плоском канале условной малой толщины. Длина всех вытеснителей показана одинаковой для ясности и простоты объяснения и выполнена по размеру больше, чем половина ширины канала для разделения зон разного давления.

Далее, движение вытеснителей происходит по тактам, под которыми понимается совокупность положений и направлений движений группы вытеснителей, и фазам, под которыми понимается положение и направление перемещения выделенного вытеснителя.

В исходном положении в такте о «первый» и «второй» вытеснители располагаются неподвижно у левой (по схеме на фиг.5) стенке в фазе "а". Вытеснители «три» и «четыре» расположены неподвижно у правой стенки в фазе "с". Расположение вытеснителей обеспечивает разделение полостей разных давлений и требует наименьшего подвода энергии к приводу для удержания вытеснителей в данном положении, причем функция датчиков положения вытеснителей заключается в обеспечении заданного крайнего положения вытеснителей и в статике, и при движении.

В такте 1 происходит начало цикла перекачки среды их зоны низкого давления в зону высокого. Вытеснители «второй» и «четвертый» остаются неподвижными в фазах "а" и "с" соответственно. Вытеснитель «один» движется слева направо и находится в фазе "b", а вытеснитель «три» синхронно с ним справа налево и находится в фазе "d". При этом происходит подача среды в зону нагнетания вытеснителем «три» за счет уменьшения геометрического объема, заключенного между левой стенкой канала и левыми торцами вытеснителей «три» и «четыре». Одновременно происходит увеличение на такую же величину геометрического объема зоны всасывания насоса, образованной из двух полостей- левой, состоящей из объема, заключенного между левой стенкой и левым торцом вытеснителя «один», и правой, заключенной между правыми торцами вытеснителей «один», «два», «три» и правой стенкой канала. Отметим, что указанная правая полость сохраняет исходный геометрический объем. Такт 1 заканчивается при достижении вытеснителями «первым» и «третьим» крайних положений, соответствующим фазам "с" и "а". Отметим, что при этом происходит подача и всасывание одинаковых объемов среды, равных объему, описанному торцом вытеснителя. Вытеснители «два» и «четыре» выполняют функцию разделения полостей разного давления и их привод с датчиками обратной связи по положению поршней потребляет минимум энергии для удержания. Вытеснитель «один» перемещается в зоне одинакового давления и берет энергию только для обеспечения динамических нагрузок при разгоне/торможении и компенсации потерь на трение. Вытеснитель «три» потребляет дополнительную энергию на перемещение против силы, создаваемой разностью давлений в полостях. Таким образом, при такте 1 только вытеснитель «три» потребляет наибольшую энергию, затрачиваемую на сжатие, разгон/торможение и компенсацию трения.

В такте 2 вытеснители «один» и «три» остаются неподвижными и выполняют функции разделителей полостей разного давления. Вытеснители «два» и «четыре» находятся в фазах "b" и "d" соответственно, т.е. двигаются направо и налево соответственно. При этом происходит перемещение в зону нагнетания из насоса и в полости всасывания насоса равных объемов среды. В начале движения вытеснителя «четыре» происходит т.н. внешнее сжатие объема среды, заключенного между правыми торцами вытеснителей «два», «три» и правой стенкой канала. Работу сжатия в такте 2 совершает вытеснитель «два».

В тактах 3 и 4 движения происходят в противофазах к тактам 1 и 2 и далее цикл повторяется.

Можно отметить, что происходит в среднем за такт равномерная подача среды в зону высокого давления и в полость всасывания насоса из зоны низкого давления. За один цикл осуществляется подача четырех объемов, описанных торцем вытеснителя, при четырех вытеснительной схеме и, соответственно- шести объемов при шести вытеснительной (фиг. 8). Наибольшую мощность на привод потребляют вытеснители «два» или «три» во всех тактах. Вытеснители «один» и «четыре» всегда берут мощность только на разгон/торможение и на преодоление трения либо на удержание в крайних положениях. В случае расширения среды высокого давления цикл происходит подобным же образом, но с частичным функционированием привода в генераторном режиме при торможении вытеснителей «два» или «три».

Оценим достижимое повышение давления в одной ступени, исходя из доступных на сегодня физических характеристик постоянных магнитов и реального цикла работы проводника с током в магнитном поле постоянного магнита.

На сегодня коммерчески доступны магниты со следующими достижимыми параметрами- например, по каталогу United Magnetics Со (China) спеченный образец из материала AlNiCo марки LNGT82 имеет наибольшую индукцию магнитного поля 1.1 Тесла, коэрцитивную силу 120 кА/м, точку Кюри +850С, предельную рабочую температуры +300С, коэффициент температурной деградации 0,03%/градС, а образец из материала SmCo марки YXG32H имеет соответственно 1,1Т/812кА/м /+800с/+350С/-0,035%/градС. Оценить численно использование таких магнитов возможно по упрощенной модели взаимодействия магнитного поля и проводника с током как движущую силу в расчете на 1 см³ объема магнита и 2×1 см³ объема проводящей структуры из охлаждаемого проводника при плотности тока 15 А/мм² согласно выражению

F=B*I*L=2*1*15*1=30 /Н/,

где F - сила в Ньютонах, В - индукция поля в Тесла, I - ток в проводящей структуре в Амперах и L - эффективная длина проводящей структуры в метрах. Коэффициент 2 отражает наличие двух проводников с током у двух полюсов. Напряженность размагничивающего магнитного поля тока в проводнике существенно меньше коэрцитивной силы указанных материалов. Данную силу возможно отнести к сечению 1 см², что дает разность давлений в 3 бар как оценку "сверху". Примем ход вытеснителя в 0,1 м/0,001 м при его сечении 10^-4 м²/10^-6 м², достижимую среднюю скорость вытеснителей под нагрузкой в 1 м/сек (ориентируясь на динамические характеристики современных линейных сервоприводов, например от Dunker Motoren / АМЕТЕК type ST) и получим оценки расходов "сверху" в 0,45 м³/мин и "снизу" 1,4*10^-3 м³/мин с ограничением «снизу» по размерам магнита, обеспечивающих заявленные показатели по индукции и размагничиванию.

Исходя из указанных оценок возможно оценить степень весового совершенства устройства как соотношение массы структуры проводник-вытеснитель-проводник и рассчитанного расхода и сравнить с практическими данными для серийных компрессоров компании ATLAS СОРСО различных типов - см.фиг. 9.

При этом радикальное снижение удельного массового показателя имеет ясное объяснение. Оно сводится к интегральной компоновке устройства, при которой привод является частью конструктива и отсутствует отдельный привод с механической передачей.

Изобретением достигаются решения следующих технических задач

- обеспечивается техническая возможность создания устройств для перекачки расходов среды от микро величин до десятков единиц м³/мин за счет параллельной работы ступеней сжатия.

- достигается отсутствие мертвых объемов.

- обеспечивается само-промываемость внутреннего устройства за счет организации вращения секторных поршней в случае цилиндрического щелевого канала.

- достигается полная герметичность устройства.

- отсутствуют внешние уплотнения

- достигается существенная простота механического устройства и низкие относительные скорости вытеснителей и, следовательно, повышение механической надежности.

1. Устройство побуждения движения жидкой среды, состоящее из канала, в котором расположен исполнительный механизм для перемещения среды, и внешнего бесконтактного электромагнитного привода исполнительного механизма, отличающееся тем, что исполнительный механизм выполнен в виде системы из независимых подвижных вытеснителей, приводимых в движение внешним электромагнитным полем в направлении, перпендикулярном направлению движения среды в канале.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что независимые подвижные вытеснители и канал выполнены плоскими.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что независимые подвижные вытеснители выполнены секторными, а канал - осесимметричным кольцевым.

4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что вытеснители являются магнитоактивными или содержат в себе постоянные магниты для обеспечения плоского возвратно-поступательного движения каждого вытеснителя при внешнем электромагнитном воздействии.

5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что вытеснители являются магнитоактивными или содержат в себе постоянные магниты для обеспечения плоского возвратно-поступательного движения каждого вытеснителя при внешнем электромагнитном воздействии.

6. Устройство по п. 4 или 5, отличающееся тем, что при управлении возвратно-поступательным движением используется устройство обратной связи по положению каждого вытеснителя в канале.

7. Устройство по п. 3 или 5, отличающееся тем, что в осесимметричном канале количество групп вытеснителей является четным, причем в группе число вытеснителей не менее 4-х.