ГИДРОПНЕВМАТИЧЕСКИЙ АККУМУЛЯТОР СО СЖИМАЕМЫМ РЕГЕНЕРАТОРОМ
HYDRO-PNEUMATIC ACCUMULATOR WITH COMPRESSED REGENERATOR

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для рекуперации гидравлической энергии в гидросистемах с высоким уровнем пульсаций потока и давления жидкости, в том числе, в системах с общей напорной магистралью, в гидравлических гибридных автомобилях, в частности, использующих двигатели со свободным поршнем, а также в системах с высокой скоростью нарастания потока и гидроударами, например, в литьевом и кузнечно-прессовом оборудовании.
Уровень техники.
Гидропневматический аккумулятор (далее - аккумулятор) включает корпус, содержащий газовый резервуар переменного объема, заполняемый сжатым газом через газовый порт, а также жидкостный резервуар переменного объема, заполняемый жидкостью через жидкостный порт, причем указанные газовый и жидкостный резервуары отделены друг от друга разделителем, подвижным относительно корпуса. Как правило, аккумулятор заряжают азотом до начального давления от единиц до десятков МПа.
Для рекуперации гидравлической энергии применяют аккумуляторы как с твердым разделителем в виде поршня, так и с эластичными разделителями, например, в виде эластичных полимерных мембран или баллонов [1], а также в виде металлических сильфонов [2]. Аккумуляторы с легкими полимерными разделителями хорошо сглаживают пульсации в гидросистеме, однако чаще требуют подзарядки газом из-за проницаемости полимерных разделителей. Сильный рывок разделителя при высокой скорости нарастания потока жидкости из аккумулятора (например, при резком падении давления в гидросистеме) может привести к разрушению полимерного разделителя. Поршневые аккумуляторы лучше сохраняют газ и устойчивы к высоким скоростям нарастания потока, однако при интенсивных пульсациях в гидросистеме вибрирующий характер движения поршня ускоряет износ уплотнений поршня. В аккумуляторах PistoFram фирмы HydroTrole [3] поршень содержит полость, которую эластичная мембрана разделяет на газовую и жидкостную части, сообщающиеся соответственно с газовым и жидкостным резервуарами аккумулятора. При высокочастотных пульсациях вибрирует не поршень, а легкая мембрана, сохраняя уплотнения поршня.
Как правило, аккумулятор содержит один газовый и один жидкостный резервуар переменного объема, давления газа и жидкости в которых равны. Аккумулятор [4] содержит один газовый и несколько жидкостных резервуаров переменного объема, коммутацией которых меняют соотношение между давлением газа в газовом резервуаре и давлением жидкости в гидросистеме.
Для рекуперации гидравлической энергии аккумулятор, предварительно заполненный рабочим газом через газовый порт, соединяют через жидкостный порт с гидросистемой. При передаче энергии от гидросистемы в аккумулятор жидкость нагнетается из гидросистемы в аккумулятор, перемещая разделитель и сжимая в газовом резервуаре рабочий газ, давление и температура которого повышаются. При возврате энергии от аккумулятора в гидросистему сжатый газ расширяется, перемещая разделитель с уменьшением объема жидкостного резервуара и вытеснением из него жидкости в гидросистему. Давление и температура газа при этом понижаются.
Теплообмен газа со стенками газового резервуара, расстояние между которыми достаточно велико (десятки и сотни милиметров), за счет теплопроводности газа незначителен. Поэтому процессы сжатия и расширения газа существенно неизотермичны, с большими температурными градиентами в газовом резервуаре. При повышении давления газа в 2-4 раза температура газа повышается на десятки и сотни градусов, а в газовом резервуаре возникают конвективные потоки, в десятки и сотни раз увеличивающие теплопередачу на стенки газового резервуара. Нагретый при сжатии газ остывает, что приводит к снижению его давления и потерям запасенной энергии, особенно значительным при хранении запасенной энергии в аккумуляторе. При больших перепадах температур теплопередача необратима, т.е. большая часть тепла, отданного от сжатого газа стенкам аккумулятора, не может быть возвращена газу при расширении. Поэтому в гидросистему возвращается существенно меньшее количество гидравлической энергии при расширении газа, чем было получено при его сжатии.
Для уменьшения тепловых потерь в [4], [5], [6], [7] предложено помещать в газовый резервуар сжимаемый регенератор (вспененный эластомер), выполняющий функции теплового регенератора и изолятора. В аккумуляторе по [7], принятом за ближайший аналог, аккумулятор включает корпус, в котором жидкостный и газовый порты, соединяются соответственно с жидкостным и газовым резервуарами переменного объема, отделенными друг от друга разделителем, подвижным относительно корпуса. Газовый резервуар переменного объема содержит сжимаемый регенератор в виде полимерной пены с открытыми порами, который заполняет газовый резервуар так, что при нагнетании жидкости в аккумулятор перемещение разделителя, уменьшающее объем газового резервуара, сжимает регенератор, а при вытеснении жидкости из аккумулятора регенератор расширяется вследствие собственной упругости. При сжатии регенератор отбирает часть тепла от газа и уменьшает степень его нагрева, а при расширении отдает тепло газу и уменьшает степень его охлаждения. Малые (порядка 1 мм) размеры пор регенератора в сотни раз снижают температурные градиенты при теплообмене между газом и регенератором и значительно повышают обратимость теплообмена при сжатии и расширении газа. Пористая структура регенератора предотвращает конвективный теплообмен газа со стенками газового резервуара, многократно снижая теплопередачу на стенки газового резервуара и соответствующие потери энергии. Поэтому практически все тепло, отданное газом регенератору при сжатии, возвращается газу при расширении, а эффективность рекуперации значительно повышается [5], [6].
Недостатком описанного решения является то, что амплитуды изменения толщины пор соизмеримы с размерами перемычек между порами. Относительные деформации перемычек велики (десятки процентов), что усугубляется особенностями полимерного материала перемычек, для которого характерна пластичность даже при относительно малых деформациях. Поэтому при длительной эксплуатации происходит усталостная деградация регенератора, приводящая к ухудшению его упругих свойств и накоплению остаточных деформаций полимерной пены. В результате регенератор теряет способность восстанавливать форму и заполнять весь объем газового резервуара, а эффективность рекуперации падает. В экспериментах [8] накопленная остаточная деформация достигает четверти исходного объема регенератора и наблюдается рост потерь гидравлической энергии в поршневом аккумуляторе уже через 36000 циклов (400 часов) плавного (0,025 Гц) сжатия и расширения. Деградация пены существенно усиливается в реальных гидросистемах, где из-за высокочастотных пульсаций разделитель двигается неравномерно, с частыми рывками, особенно сильными в гидравлических гибридных автомобилях [9], использующих сильно пульсирующие двигатели со свободным поршнем [10] и фазово-регулируемые гидравлические преобразователи [11], а также в гидросистемах с общей напорной магистралью. При таком вибрирующем воздействии движущегося рывками разделителя наибольшей нагрузке и разрушению подвергается прилегающий к разделителю пограничный слой регенератора. Его упругости недостаточно, чтобы передать ускорение от разделителя на всю массу регенератора. Если амплитуда вибрации разделителя соизмерима с размером пор, пограничный слой сминается и разрушается, после чего также разрушается следующий слой. Аналогичное разрушительное воздействие на пограничные слои пены оказывают гидроудары. Эксплуатация при повышенных температурах, типичная в мобильных приложениях, также ускоряет процессы деградации пены. Следует также учитывать, что упругие свойства вспененных эластомеров ухудшаются при низких температурах.
Кроме того, в описанном аккумуляторе не обеспечивается надежность при напуске газа в аккумулятор и выпуске газа из него. Напряжение разрыва существующих пен невелико, порядка 0,1-1 МПа. При быстрых процессах напуска и выпуска газа в пене могут возникать значительно большие локальные перепады давления, особенно вблизи газового порта, где плотности потока газа максимальны, что вызовет разрушение пены. При напуске газа пена может быть повреждена с образованием полостей вблизи газового порта. При выпуске газа пена может быть увлечена газовым потоком в газовый порт, что приведет как к потерям пены и образованию полостей, так и к выходу из строя запорных и предохранительных клапанов газового порта. Опасность увлечения пены в газовый порт при быстрых процессах газообмена также ограничивает применение газовых ресиверов совместно с описанным аккумулятором.
Сущность изобретения.
Задачей настоящего изобретения является создание долговечного и надежного гидропневматического аккумулятора для рекуперации гидравлической энергии с высокой эффективностью, пригодного к использованию в гидросистемах со значительными высокочастотными пульсациями, с гидроударами или с высокими скоростями нарастания потока, а также пригодного к использованию совместно с газовыми ресиверами и пригодного к использованию при повышенных и пониженных температурах окружающей среды.
Для решения поставленной задачи предлагается гидропневматический аккумулятор (далее аккумулятор), включающий корпус, в котором выполнены жидкостный резервуар переменного объема, соединяющийся с жидкостным портом, и газовый резервуар переменного объема, соединяющийся с газовым портом. Указанные газовый и жидкостный резервуары отделены друг от друга разделителем, подвижным относительно корпуса. Газовый резервуар содержит сжимаемый регенератор (далее - регенератор), который заполняет газовый резервуар так, что перемещение разделителя, уменьшающее объем газового резервуара, сжимает регенератор, причем регенератор выполнен из листовых элементов, расположенных поперечно направлению движения разделителя и разделяющих газовый резервуар на сообщающиеся газовые слои переменной толщины, причем листовые элементы регенератора кинематически связаны с разделителем с возможностью увеличения толщины разделяемых ими газовых слоев при увеличении объема газового резервуара и уменьшения - при его уменьшении.
Разбиение объема газового резервуара на тонкие слои и уменьшение тем самым средних расстояний до теплообменных поверхностей улучшает условия теплопередачи и снижает температурные перепады, повышая обратимость процессов сжатия и расширения газа в газовом резервуаре, а значит, и эффективность рекуперации. Чем больше начальное давление газа и скорость изменения объема газового резервуара при нагнетании или вытеснении жидкости и чем меньше требуемый перепад температур, тем меньшей должна выбираться средняя толщина газовых слоев при максимальном объеме газового резервуара, т.е. тем с большим количеством листовых элементов выполняется регенератор.
3
Для аккумуляторов широкого применения, предназначенных к использованию с начальными давлениями газа порядка 10 МПа и временами нагнетания и вытеснения от единиц до десятков секунд, количество, форму и расположение листовых элементов предпочтительно выбирать так, чтобы при максимальном объеме газового резервуара средняя толщина газовых слоев не превышала 10 мм. При этом удельная, т.е. отнесенная к максимальному объему газового резервуара, теплоемкость регенератора превышает теплоемкость газа при максимальном начальном давлении, предпочтительно превышает 100 КДж/К/м.
Выполнение регенератора в виде слоистой структуры с листовыми элементами, размеры которых (десятки и сотни мм) существенно превосходят амплитуду изменения толщины (не более единиц мм) разделяемых ими слоев, позволяет ограничиваться малыми относительными деформациями элементов регенератора во всем диапазоне перемещений разделителя, используя при этом материалы с хорошими упругими свойствами в широком температурном диапазоне, например металлы или их сплавы.
Кинематическая связь листовых элементов с разделителем может быть выполнена различными способами, например, с применением отдельных, соединенных с разделителем и с корпусом, пружин, на которых с заданным шагом закреплены листовые элементы.
В сильфонных аккумуляторах листовые элементы могут с заданным шагом прикрепляться непосредственно к сильфону.
Для поршневых аккумуляторов предпочтительно использовать упругие свойства самих листовых элементов и выполнять регенератор в виде многослойной пружины, состоящей из состыкованных друг с другом упругих металлических листовых элементов, работающих как листовые или тарельчатые пружины.
В предпочтительном по экономичности исполнении регенератор выполнен из упругих листовых элементов, соединенных друг с другом с возможностью изменения степени деформации изгиба при движении разделителя. Для увеличения долговечности выбирают количество листовых элементов, а также количество, расположение и форму стыков соседних листовых элементов так, чтобы локальные деформации изгиба листовых элементов не превосходили пределов упругих деформаций при любом положении разделителя.
Листовые элементы могут быть состыкованы посредством клеевого, сварного или иного соединения. Листовые элементы могут быть также просто сложены, упираясь друг в друга, в многослойную листовую пружину, работающую на сжатие, если они предварительно отформованы так, что их ненапряженному состоянию соответствует толщина слоев больше, чем при максимальном объеме газового резервуара.
Для дальнейшего уменьшения амплитуды деформаций предлагается выполнять регенератор так, чтобы ненапряженному состоянию листового элемента соответствовало такое промежуточное положение разделителя, при котором объем газового резервуара равен промежуточному значению между максимальным и минимальным значениями. Для этого предлагается использовать исходно плоские листовые элементы, соединенные прокладками выбранной толщины, предпочтительно не менее чем 0,3 от средней толщины газового слоя при максимальном объеме газового резервуара, либо листовые элементы, отформованные (штамповкой или гибкой) так, чтобы их ненапряженное состояние соответствовало указанному промежуточному положению разделителя.
В предпочтительном по длительности хранения запасенной гидравлической энергии исполнении аккумулятора регенератор включает гибкий пористый теплоизолятор, уменьшающий теплопередачу от листовых элементов на корпус аккумулятора.
Изобретение предусматривает исполнения, предпочтительные для применения в гидросистемах со значительными высокочастотными пульсациями, с гидроударами и высокими скоростями нарастания потока, в которых вблизи разделителя регенератор выполнен с повышенной упругостью или пониженной газопроницаемостью. Чем ниже его газопроницаемость и чем выше разница скоростей растяжения или сжатия слоев газа между элементами регенератора, тем сильнее пониженная газопроницаемость препятствует выравниванию давлений между разделенными слоями газа. С ростом силы рывков разделителя растущий перепад давлений между этими слоями сильнее ускоряет элементы регенератора, снижая тем самым нагрузку на примыкающие к разделителю пограничные элементы регенератора и уменьшая их локальные деформации. Повышение упругости может выполняться увеличением толщины листовых элементов, изменением конфигурации их соединений или введением дополнительных упругих элементов связи. Уменьшение газопроницаемости выполняется уменьшением количества или размеров отверстий в листовых элементах, а также уменьшением зазоров между кромками листовых элементов и стенками газового резервуара.
Для использования в гидросистемах со значительными высокочастотными пульсациями предлагается исполнение аккумулятора, в котором разделитель выполнен в виде поршня с полостью и сильфоном в ней, разделяющим указанную полость на жидкостную и газовую части, сообщающиеся через окна в поршне с жидкостным и газовым резервуарами соответственно. Сильфон выполнен из листовых элементов, расположенных поперечно направлению движения разделителя и разделяющих газовую часть полости в поршне на сообщающиеся газовые слои переменной толщины, с возможностью увеличения толщины разделяемых ими газовых слоев при увеличении объема газовой части указанной полости и уменьшения - при его уменьшении. Легкий сильфон принимает на себя высокочастотную составляющую пульсаций потока жидкости, предохраняя поршень от вибраций и уменьшая износ его уплотнения. Выполнение сильфона так, чтобы средняя толщина газовых слоев между листовыми элементами сильфона при максимальном объеме газовой части полости в поршне не превышала 10 мм, обеспечивает хороший теплообмен между газом и листовыми элементами сильфона, которые в таком исполнении дополняют листовые элементы основного регенератора в газовом резервуаре аккумулятора.
Для исполнений аккумулятора, предназначенных для широкого применения, предпочтительно выбирать газопроницаемость и упругость регенератора вблизи разделителя так, чтобы локальные деформации листовых элементов не превосходили пределов упругих деформаций при наиболее сильных рывках разделителя, соответствующих максимально возможной скорости нарастания потока жидкости из аккумулятора, который может возникнуть при мгновенном падении давления в подключенной к аккумулятору гидросистеме от максимального до атмосферного.
Решение задачи предотвращения повреждений регенератора при напуске и выпуске газа достигается тем, что газовый порт содержит ограничитель потока, выполненный с возможностью ограничивать газовый поток через газовый порт так, что падение давления на нем при открытом газовом порту превосходит, предпочтительно в 10 и более раз, максимальную разницу давлений между разными областями регенератора.
В исполнениях аккумулятора, предпочтительных для ускоренного напуска и выпуска газа и для применения совместно с ресиверами, регенератор выполнен с повышенной газопроницаемостью вблизи газового порта, что компенсирует повышение плотности потока газа вблизи газового порта при напуске и выпуске газа и снижает перепады давления в регенераторе.
Детали предпочтительных исполнений изобретения показаны в нижеприведенных примерах, иллюстрируемых чертежами, на которых представлены:
Фиг.1 - Гидропневматический аккумулятор с разделителем в виде поршня и регенератором в виде многослойной листовой пружины, осевой разрез.
Фиг.2 - Гидропневматический аккумулятор с составным разделителем в виде полого поршня с сильфоном и регенератором в виде многослойной листовой пружины, осевой разрез.
Фиг.3 - Фрагмент регенератора в виде многослойной листовой пружины из плоских листовых элементов с полосовыми прокладками между ними, недеформированное и деформированное состояния, осевой разрез.
Фиг.4 - Фрагмент регенератора в виде многослойной листовой пружины из плоских листовых элементов с секторными прокладками между ними, вид в перспективе.
Фиг.5 - Экспериментальные кривые изменения температуры газа в газовом резервуаре при рекуперации энергии для двух аккумуляторов: контрольного (без регенератора) (кривая 1) и с регенератором (кривая 2).
Аккумуляторы по Фиг.1 и 2, включают корпус 1, в котором выполнены жидкостный резервуар 2 переменного объема, соединяющийся с жидкостным портом 3, и газовый резервуар 4 переменного объема, соединяющийся с газовым портом 5. Указанные газовый и жидкостный резервуары переменного объема отделены друг от друга разделителем 6 в виде поршня. Газовый резервуар 4 содержит регенератор 7, который заполняет газовый резервуар 4 так, что перемещение разделителя 6, уменьшающее объем газового резервуара 4, сжимает регенератор 7. Регенератор состоит из листовых элементов 8, расположенных поперечно направлению движения разделителя 6 и разделяющих газовый резервуар 4 на сообщающиеся газовые слои переменной толщины. Листовые элементы 8 собраны в регенератор 7 в виде многослойной листовой пружины, прикрепленной с одной стороны к разделителю 6, а с другой стороны - к корпусной вставке 9, установленной на корпусе 1. Таким образом, листовые элементы 8 кинематически связаны друг с другом и с разделителем 6 с возможностью увеличения толщины разделяемых ими газовых слоев при увеличении объема газового резервуара 4 и уменьшения - при его уменьшении.
3
Металлические листовые элементы 8 состыкованы друг с другом параллельными клеевыми или сварными швами, причем чередуются диаметральные 10 и хордовые 11 швы. Крайние листовые элементы прикреплены к разделителю 6 и к корпусной вставке 9 диаметральными швами (сварными или клеевыми). Расстояние между диаметральными 10 и хордовыми 11 швами обуславливает жесткость многослойной листовой пружины. В исполнениях по Фиг.1 и 2 это расстояние выбрано в диапазоне 20-50 мм, а максимальная толщина газовых слоев между листовыми элементами - порядка 0,1 от указанного расстояния или менее, что обеспечивает малые относительные деформации изгиба листовых элементов (для лучшей наглядности относительные деформации листовых элементов 8 и расстояния между ними на чертежах увеличены, а их количества соответственно уменьшены). Толщина одного листового элемента 8 выбрана в диапазоне 0,1-0,2 от средней толщины разделяемого ими газового слоя при максимальном объеме газового резервуара 4. При этом удельная, т.е. отнесенная к максимальному объему газового резервуара 4, теплоемкость регенератора составляет 400-800 КДж/К/м, что в 4-8 раз превышает теплоемкость газа (азота) при начальном давлении 10 МПа.
Для рекуперации гидравлической энергии аккумулятор (Фиг.1, 2), предварительно заполненный газом через газовый порт 5, соединяют через жидкостный порт 3 с гидросистемой.
При передаче энергии из гидросистемы в аккумулятор жидкость из гидросистемы через жидкостный порт 3 аккумулятора нагнетается в его жидкостный резервуар 2, разделитель 6 перемещается, уменьшая объем газового резервуара 4 и повышая давление и температуру газа в нем. При этом регенератор 7 сжимается, а толщина слоев газа между листовыми элементами 8 уменьшается. Благодаря малым расстояниям между листовыми элементами 8 регенератора 7 и большой его удельной теплоемкости, газ эффективно отдает часть тепла регенератору, что снижает степень нагрева газа при сжатии, причем теплообмен газа с листовыми элементами происходит обратимо, при малых разницах температур между листовыми элементами и газом между ними.
При хранении запасенной в аккумуляторе гидравлической энергии тепловые потери малы, т.к. уменьшение степени нагрева газа уменьшает теплопередачу на стенки корпуса за счет теплопроводности газа, теплопередача к стенкам корпуса вдоль листовых элементов тоже мала ввиду их малой толщины, а благодаря пластинчатой структуре регенератора в тонких слоях газа существенно снижена конвективная передача тепла к стенкам корпуса. Для увеличения длительности хранения запасенной гидравлической энергии регенератор включает гибкий пористый теплоизолятор 12 (Фиг.2), выполненный, например, из вспененного эластомера, который позволяет еще сильнее уменьшить теплопередачу между листовыми элементами и стенками корпуса.
При возврате энергии от аккумулятора в гидросистему сжатый газ расширяется и разделитель 6 перемещается, уменьшая объем жидкостного резервуара 2 и вытесняя жидкость из него через жидкостный порт 3 в гидросистему. При этом листовые элементы 8, кинематически связанные с разделителем 6, перемещаются с увеличением толщины разделяемых ими слоев газа, обеспечивая равномерность заполнения расширяющегося газового резервуара 4 листовыми элементами. Благодаря сохранению малых расстояний между газом и листовыми элементами, регенератор эффективно возвращает газу полученную часть тепла. Таким образом, аккумулятор практически без потерь возвращает в гидросистему полученную от нее гидравлическую энергию. Благодаря малым относительным деформациям листовых элементов, не превосходящих пределов упругости во всем диапазоне перемещений разделителя, предотвращается накопление остаточных деформаций и разрушение регенератора и достигается надежность и долговечность аккумулятора.
Для дальнейшего уменьшения амплитуды деформаций листовых элементов регенератор выполняют так, чтобы ненапряженному состоянию листовых элементов соответствовало такое промежуточное положение разделителя, при котором объем газового резервуара равен выбранному промежуточному значению между максимальным и минимальным значениями. В аккумуляторах, предназначенных для работы в гидросистемах с длительными интервалами отключения (например, в индустриальных системах с отключением на ночь), предпочтительно выбирать указанное промежуточное значение ближе к максимальному. В аккумуляторах, предназначенных для работы в гидросистемах с долгим временем хранения запасенной гидравлической энергии, предпочтительно выбирать указанное промежуточное значение ближе к минимальному.
Данный способ соединения листовых элементов в многослойную листовую пружину позволяет получить наименьшие деформации листовых элементов при растяжении пружины, что обеспечивает надежность соединений листовых элементов между собой, а значит, долговечность регенератора.
Наибольшая долговечность достигается, когда при изменении объема газового резервуара от максимального рабочего до минимального рабочего листовые элементы пружины проходят через свое ненапряженное состояние, что обеспечивает их знакопеременную деформацию и предотвращает накопление в них остаточных деформаций.
В аккумуляторах, предназначенных для работы с ресиверами, где предпочтительно обеспечивать минимальный остаточный объем газа в газовом резервуаре 4, листовые элементы 8 могут формоваться в виде тарелок или волнообразных листов и соединяться сварными или клеевыми швами минимально возможной толщины. В регенераторах аккумуляторов, предназначенных к работе без ресивера, приведенных на Фиг.3 и 4, использованы плоские листовые элементы 8 с чередующимися конфигурациями прокладок 13 между ними.
В исполнении по Фиг.3 плоские круглые листовые элементы 8 скреплены между собой в многослойную листовую пружину с помощью прокладок 13 в форме полос, приклеенных к листовым элементам 8 параллельно друг другу. К одной стороне каждого листового элемента 8 приклеена одна прокладка 13 вдоль диаметра листового элемента, а к обратной стороне того же листового элемента вдоль двух хорд, симметричных относительно диаметральной прокладки, приклеены две прокладки 13. Начальное давление газа при зарядке аккумулятора, как правило, не превышает 0,9 от минимального рабочего давления в гидросистеме. Типичная для рекуперации энергии степень объемного сжатия газа, соответствующая максимуму запасаемой энергии, составляет порядка 2-3. Поэтому минимально возможный объем газового резервуара, определяемый толщиной прокладок 13 предпочтительно должен быть не более 0,3 от максимального. Прокладки 13 позволяют листовым элементам 8 деформироваться в обе стороны от их ненапряженного состояния, что дает многослойной листовой пружине возможность как растягиваться, так и сжиматься. На Фиг.3 период повторения конфигураций прокладок 13 равен 2, ближайшие диаметральные (или соответственно хордовые) прокладки в осевом направлении разделены одиночными зазорами между листовыми элементами 8, а средняя толщина газового слоя при полном сжатии соответствует половине толщины прокладки 13. Таким образом для того, чтобы обеспечить степень объемного сжатия газа в аккумуляторе не менее 3, в таком исполнении предпочтительно выбирать толщину прокладок 13, не превосходящей 0,6 от средней толщины газового слоя при максимальном объеме газового резервуара.
В исполнениях по Фиг.4 плоские круглые листовые элементы 8 скреплены между собой в многослойную листовую пружину с помощью прокладок 13, приклеенных к листовым элементам 8 с заданным угловым смещением. К одной стороне каждого листового элемента 8 приклеены 6 (в общем случае N) прокладок 13, смещенных друг от друга на 360/6 (в общем случае на 360/N) градусов. С другой стороны этого же листового элемента также приклеены 6 (в общем случае N) прокладок 13 с таким же угловым расстоянием друг от друга. При этом вся конфигурация прокладок 13 на одной стороне смещена относительно конфигурации прокладок 13 на другой стороне на 360/24 (в общем случае на 360/(N·M)) градусов. Таким образом, в каждом следующем слое между листовыми элементами 8 конфигурация прокладок 13 повернута на 360/24 градусов относительно предыдущей, а одинаковые по угловым положениям конфигурации повторяются в каждом четвертом слое (в общем случае с периодом М) и разделены тройными (в общем случае М-1) зазорами между листовыми элементами 8. Угловой размер прокладок 13 существенно меньше, чем 360/24 градусов, что позволяет сжимать регенератор с относительно небольшими деформациями изгиба листовых элементов. Чем больше количество прокладок 13 в одном слое N и чем меньше угловые расстояния между краями прокладок соседних слоев (уменьшающиеся с увеличением N, М и угловых размеров прокладок 13), тем выше упругость регенератора. Чем больше период повторения конфигураций М, тем больше максимальная степень сжатия регенератора относительно положения, соответствующего ненапряженному состоянию плоских листовых элементов 8. При полном сжатии средняя толщина слоя соответствует четверти (в общем случае 1/М) толщины прокладок 13, что при требуемой троекратной степени объемного сжатия позволяет выбирать толщину прокладок 13, равной или даже превосходящей среднюю толщину газового слоя при максимальном объеме газового резервуара, снижая нагрузку на клеевые соединения.
При ненапряженном состоянии плоских листовых элементов 8 толщина газовых слоев равна толщине прокладок 13. Исходя из вышеуказанных оценок рабочего диапазона для рекуперации гидравлической энергии предпочтительно выбирать максимальную степень объемного сжатия, не превосходящую 3, а минимальную толщину прокладок, соответственно, не меньше, чем 0,3 от средней толщины газового слоя при максимальном объеме газового резервуара. Для того чтобы иметь ненапряженное состояние плоских листовых элементов 8 при отсутствии давления в гидросистеме, применяют прокладки 13, толщина которых близка средней толщине газового слоя при максимальном объеме газового резервуара, с периодом повторения конфигураций М не меньше, чем требуемая степень объемного сжатия в аккумуляторе.
В качестве примера реализации изобретения на Фиг.5 приведены экспериментальные кривые изменения температуры газа в газовом резервуаре при рекуперации энергии для двух аккумуляторов Hydac типа SK350-2/2212A6 объемом 2 л, один из которых без регенератора (кривая 1), а второй (кривая 2) с регенератором в виде многослойной листовой пружины из 120 плоских листовых элементов толщиной 0,4 мм с секторными прокладками толщиной 1 мм между ними, как на Фиг.4. При этом ненапряженное состояние плоских листовых элементов соответствует максимальному объему газового резервуара. Температура окружающей среды 18°С. Начальное давление газа в обоих аккумуляторах 7 МПа. Каждый цикл состоит из 4 тактов: нагнетания жидкости в аккумулятор до давления 21 МПа в течение 20 с, хранения запасенной энергии в течение 50-60 с, вытеснения жидкости из аккумулятора до исходного давления 7 МПа в течение 30 с и паузы в течение 50 с. В аккумуляторе без регенератора газ нагревается при сжатии до 106°С, остывает за время хранения до 30-32°С, охлаждается при расширении до -30°С и нагревается за время паузы до 10-12°С. В то же время, в аккумуляторе с регенератором газ при сжатии нагревается не более чем до 25°С, а при расширении охлаждается не сильнее чем до 12°С. Таким образом, регенератор на порядок уменьшает степень нагрева газа при сжатии и охлаждения при расширении, соответственно уменьшая и потери запасенной энергии во время хранения. При любой степени сжатия газа в указанном диапазоне изменений давления относительная деформация листовых элементов (прогиб менее 1 мм при длине изгибаемых участков порядка 12 мм) существенно меньше предела упругости.
При работе аккумулятора в составе гидросистемы с высокочастотными пульсациями или с высокими скоростями нарастания потока и гидроударами разделитель 6 движется неравномерно, с сильными рывками, которые увеличивают нагрузку на примыкающие к разделителю 6 листовые элементы 8, через которые в ускоренное движение вовлекается весь регенератор 7.
Для предотвращения избыточных деформаций и разрушения регенератора вблизи разделителя при работе со значительными высокочастотными пульсациями, с гидроударами и высокими скоростями нарастания потока в аккумуляторах по Фиг.1 и 2, регенератор 7 вблизи разделителя 6 выполняют с повышенной упругостью или пониженной газопроницаемостью. Повышение упругости компенсирует увеличение нагрузки при рывках разделителя и может выполняться увеличением толщины листовых элементов или ведением дополнительных элементов связи, а также изменением расстояния между сварными швами 10 и 11 или изменением конфигураций прокладок 13.
Уменьшение газопроницаемости выполняется уменьшением количества или размеров отверстий в листовых элементах 8, а также уменьшением зазоров между кромками листовых элементов и стенками газового резервуара 4. Чем ниже газопроницаемость и чем выше разница скоростей растяжения или сжатия слоев газа между ними, тем сильнее пониженная газопроницаемость регенератора 7 препятствует выравниванию давлений между разделенными слоями газа. С ростом силы рывков разделителя 6 растущий перепад давлений между этими слоями сильнее ускоряет листовые элементы 8, снижая тем самым нагрузку на примыкающие к разделителю 6 листовые элементы 8 и уменьшая их локальные деформации.
В аккумуляторе по Фиг.2 разделитель 6 включает поршень 14 с полостью 15 и сильфоном 16 в ней, разделяющим ее на жидкостную 17 и газовую 18 части, сообщающиеся через окна 19 и 20 в поршне 14 с жидкостным 2 и газовым 4 резервуарами соответственно. Сильфон 16 выполнен из металлических листовых элементов 21, расположенных поперечно направлению движения поршня 14 и разделяющих газовую часть 18 полости 15 на сообщающиеся газовые слои переменной толщины, с возможностью увеличения толщины разделяемых ими газовых слоев при увеличении объема газовой части 18 полости 15 и уменьшения - при его уменьшении. При высокочастотных пульсациях вибрирует не поршень 14, а более легкий сильфон 16, что уменьшает износ поршневых уплотнений. При этом также уменьшается нагрузка на листовые элементы 8 вблизи поршня 14, что позволяет исполнять регенератор 7 с большей газопроницаемостью, чем в аккумуляторе по Фиг.1. Сильфон 16 обеспечивает хорошую регенерацию тепла при сжатии и расширении газа в полости 15, так как малые толщины газовых слоев между листовыми элементами 21 сильфона 16 обеспечивают хороший теплообмен газа с листовыми элементами. Расстояния между листовыми элементами 21 и их теплоемкость выбираются так же, как для листовых элементов 8 регенератора 7, предпочтительно, так, чтобы средняя толщина газовых слоев между листовыми элементами сильфона при максимальном объеме газовой части полости в разделителе не превышала 10 мм (для лучшей наглядности относительные деформации листовых элементов 21 и расстояния между ними на Фиг.2 увеличены, а их количество соответственно уменьшено). Вынужденная микроконвекция газа, порождаемая колебаниями сильфона 16 при высокочастотных пульсациях в гидросистеме, дополнительно улучшает теплообмен газа с листовыми элементами 8 регенератора 7. Гибкий пористый теплоизолятор 12 в виде вспененного эластомера, расположенный на периферии листовых элементов 8, предотвращает распространение микроконвективных потоков в зазоры между листовыми элементами 8 регенератора 7 и стенками корпуса 1, уменьшая теплообмен между регенератором 7 и корпусом 1 и потери при хранении энергии. Вспененный эластомер приклеен к поршню 14 и к листовым элементам 8 с возможностью его растяжения при увеличении объема газового резервуара 4, что предотвращает накопление остаточных деформаций сжатия вспененного эластомера и обеспечивает его долговечность. Непроницаемый для газа металлический сильфон 16 также способствует хорошей сохранности газа, что вместе с улучшенной сохранностью уплотнений разделителя и пониженными нагрузками на регенератор способствует дальнейшему повышению надежности и долговечности аккумулятора.
Предпочтительно выбирать газопроницаемость и упругость листовых элементов 8 вблизи разделителя 6 таким образом, чтобы их локальные деформации не превосходили предела упругости при наиболее сильных рывках разделителя 6.
Максимальная сила рывков разделителя 6 может быть ограничена условиями эксплуатации. Например, если аккумулятор предназначен для использования в гидравлическом гибридном автомобиле с двигателем со свободным поршнем, рабочий объем и максимальная частота тактов вытеснения двигателя определяют максимальное ускорение и амплитуду перемещений разделителя и максимальную силу его рывков. При работе аккумулятора с несколькими пульсирующими источниками и нагрузками, например, в общей напорной магистрали, максимальная сила рывка определяется как суммарная по всем источникам и нагрузкам.
Для аккумулятора широкого применения предпочтительно определять ускорение и амплитуду ускоренного перемещения разделителя и максимальную силу его рывка по максимально возможной скорости нарастания потока жидкости из аккумулятора при мгновенном падении давления в гидросистеме от максимального до атмосферного. Максимальная скорость нарастания потока при этом определяется в первую очередь гидродинамическими характеристиками его жидкостного порта 3.
При резком падении давления в жидкостном резервуаре 2 возникает сильный рывок разделителя 6, который с большим ускорением движется рывком в сторону жидкостного порта 3, увлекая за собой прикрепленные к нему листовые элементы 8, тянущие за собой все остальные слои регенератора 7. В аккумуляторе по Фиг.2 сильфон 16 первым реагирует на падение давления и, растягиваясь, вовлекает в ускоренное движение поршень 14 и что несколько уменьшает ускорения поршня 14 и связанных с ним листовых элементов 8. Из-за пониженной вблизи разделителя 6 газопроницаемости регенератора 7, обусловленной газодинамическим сопротивлением отверстий 22 в листовых элементах 8 и зазоров между листовыми элементами 8 и внутренними стенками корпуса 1, на каждом из листовых элементов 8 при рывке разделителя 6 возникает перепад давления, а именно, со стороны, обращенной к разделителю 6, возникает разрежение, а с противоположной стороны - избыточное давление. Возникающие перепады давлений толкают каждый листовой элемент 8 к разделителю 6, уменьшая тем самым, нагрузку на швы 10 и 11 и локальные деформации изгиба самих листовых элементов, распределяя растяжение по всей длине регенератора 7. Увеличение газопроницаемости листовых элементов 8 по мере удаления от разделителя обеспечивает плавное понижение их ускорений, что обеспечивает равномерность распределения их деформаций и предотвращает избыточные деформации не только ближайших к разделителю листовых элементов, но и листовых элементов по всей длине регенератора 7. Аналогичным образом, при рывках разделителя 6 в обратную сторону, например из-за гидроударов, перепады давления толкают листовые элементы 8 от разделителя, что уменьшает их локальные деформации сжатия и снижает нагрузку на швы 10 и 11.
Повышение упругости листовых элементов вблизи разделителя 6 также предотвращает избыточные деформации ближайших к разделителю листовых элементов 8, а также листовых элементов по всей длине регенератора 7, обеспечивая равномерность распределения их деформаций и уменьшая нагрузку на швы 10 и 11 или соединения с прокладками 13.
В поршневых аккумуляторах предусматривается также предотвращение скручивания регенератора 7 как при сборке аккумулятора, так и при поворотах разделителя 6, возможных при его перемещении. Скручивание предотвращается, например, за счет возможности вращения корпусной вставки 9 относительно корпуса 1 или же за счет прикрепления регенератора к разделителю 6 посредством отдельной буферной вставки (не показана), установленной с возможностью вращения относительно разделителя 6.
В листовых элементах 8 выполнены отверстия 22, расположенные напротив отверстий 23 в корпусной вставке 9. Таким образом, газовый резервуар 4 через отверстия 23 сообщается с газовым портом 5, либо непосредственно, либо через коллекторный зазор 24. Регенератор 7 выполнен с повышением газопроницаемости вблизи газового порта 5, в данном случае с увеличением отверстий 22, что компенсирует повышенную плотность потока газа вблизи газового порта при напуске и выпуске газа и снижает перепады давления в регенераторе, делая аккумулятор применимым для работы совместно с ресивером.
Для предотвращения повреждений регенератора при напуске и выпуске газа газовый порт содержит ограничитель потока в виде дросселя (не показан), выполненный с возможностью ограничивать газовый поток через газовый порт так, что падение давления на нем при открытом газовом порту превосходит, предпочтительно в 10 и более раз, максимальную разницу давлений между разными областями регенератора. При работе аккумулятора совместно с ресивером ограничитель потока устанавливается так, чтобы ограничивать потоки при напуске и выпуске газа и не ограничивать потоки между аккумулятором и ресивером.
Листовые элементы 8, выполняемые из металла, особенно при сварном их соединении, сохраняют работоспособность как при повышенных, так и при пониженных температурах окружающей среды.
Вышеописанные исполнения являются примерами воплощения основного замысла настоящего изобретения, которое предполагает также множество других вариантов исполнения, не описанных здесь подробно, например исполнения аккумуляторов с эластичным разделителем в виде баллона или мембраны, в которых кромки листовых элементов выполнены так, чтобы не повреждать эластичный разделитель, а также исполнения аккумуляторов, содержащие в одном корпусе один газовый и несколько жидкостных резервуаров переменного объема.
Таким образом, предложенные решения позволяют создать гидропневматический аккумулятор для рекуперации гидравлической энергии со следующими качествами:
- высокой эффективностью рекуперации гидравлической энергии;
- долговечностью и надежностью при работе в составе гидросистемы с высокими скоростями нарастания потока и гидроударами, вызывающими сильные рывки разделителя;
- пригодностью к использованию совместно с газовыми ресиверами;
- пригодностью к использованию при повышенных и пониженных температурах окружающей среды.
Список литературы
1. Л.С.Столбов, А.Д.Петрова, О.В.Ложкин. «Основы гидравлики и гидропривод станков», Москва, «Машиностроение», 1988, с.172.
2. Патент US 6405760.
3. http://www.hydrotrole.co.uk/.
4. Патент US 5971027.
5. Otis D.R. "Thermal Losses in Gas-Charged Hydraulic Accumulators", Proceedings of the Eighth Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, Aug. 1973, pp.198-201.
6. Pourmovahed A., S.A.Baum, F.J.Fronczak, N.H.Beachley. "Experimental Evaluation of Hydraulic Accumulator Efficiency With and Without Elastomeric Foam", Proceedings of the Twenty-second Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, Philadelphia, PA, Aug. 10-14, 1987, paper 87-9090.
7. Патент US 7108016.
8. Pourmovahed A. "Durability Testing of an Elastomeric Foam for Use in Hydraulic Accumulators", Proceedings of the Twenty-third Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, Denver, CO, July 31 - Aug. 5, 1988. Volume 2 (A89-15176 04-44).
9. Peter A.J. Achten, "Changing the Paradigm", Proceedings of the Tenth Scandinavian International Conference on Fluid Power, May 21-23, 2007, Tampere, Finland, Vol.3, pp.233-248.
10. Peter A.J. Achten, Joop H.E. Somhorst, Robert F. van Kuilenburg, Johan P.J. van den Oever, Jeroen Potma "CPR for the hydraulic industry: The new design of the Innas Free Piston Engine", Hydraulikdagarna'99, May 18-19, Linkoping University, Sweden.
11 Peter A.J. Achten, "Dedicated Design of the Hydraulic Transformer", Proceedings of the IFK 3, Vol.2, IFAS Aachen, pp.233-248.