УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕКУПЕРАЦИИ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
DEVICE FOR HYDRAULIC POWER RECOVERY

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для рекуперации гидравлической энергии с повышенной эффективностью и безопасностью, в том числе в мобильных приложениях, таких как дорожно-строительные машины, подъемно-транспортное оборудование, а также гидравлические гибридные грузовые и легковые автомобили.
Уровень техники
Известны устройства для рекуперации гидравлической энергии в виде гидропневматических аккумуляторов (далее - аккумуляторов), корпус которых содержит 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.
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].
Перед эксплуатацией газовый резервуар аккумулятора заряжают через газовый порт сжатым газом, как правило, азотом, до начального давления от единиц до десятков МПа.
При передаче энергии от гидросистемы в аккумулятор (например, при торможении гидравлического гибридного автомобиля) происходит нагнетание рабочей жидкости из гидросистемы в аккумулятор и сжатие в нем рабочего газа, давление и температура которого при этом повышаются. При возврате энергии от аккумулятора в гидросистему (например, при ускорении гидравлического гибридного автомобиля) происходит расширение сжатого рабочего газа и вытеснение рабочей жидкости в гидросистему.
Как правило, аккумулятор содержит один газовый и один жидкостный резервуар, с равными давлениями газа и жидкости в них. Чем больше гидравлическая энергия, передаваемая аккумулятору, тем больше степень сжатия газа в нем. Для поддержания требуемой рекуперируемой мощности приходится компенсировать рост давления снижением производительности гидромашины (насоса или мотора), гидравлически связанной с аккумулятором. При снижении производительности эффективность гидромашины падает, а значит, падает и эффективность рекуперации в целом, что является недостатком таких устройств.
Увеличение объема аккумулятора или увеличение количества аккумуляторов для уменьшения степени сжатия газа удорожает систему, а также утяжеляет ее, что критично для мобильных приложений.
Для уменьшения степени сжатия газа и, вместе с тем, увеличения максимально возможной рекуперируемой энергии применяется широко известное устройство [3]. Устройство включает гидропневматический аккумулятор, в корпусе которого выполнен жидкостный порт, сообщающийся с жидкостным резервуаром аккумулятора, отделенным подвижным разделителем от газового резервуара аккумулятора, который через газовый порт сообщается, по меньшей мере, с одним, газовым ресивером.
При нагнетании рабочей жидкости из гидросистемы в жидкостный резервуар аккумулятора разделитель перемещается и вытесняет газ из аккумулятора в ресивер со сжатием газа в ресивере и аккумуляторе. Работа по нагнетанию жидкости в аккумулятор преобразуется во внутреннюю энергию сжатого газа, давление и температура которого при этом повышаются. При возврате энергии от устройства в гидросистему происходит расширение сжатого рабочего газа с частичным вытеснением его из ресивера в газовый резервуар аккумулятора, перемещение разделителя с уменьшением объема жидкостного резервуара аккумулятора и вытеснением рабочей жидкости из него через жидкостный порт в гидросистему. Внутренняя энергия сжатого газа преобразуется в работу по вытеснению жидкости, т.е. устройство возвращает в гидросистему полученную от нее гидравлическую энергию, давление и температура газа при этом понижаются.
Добавление в систему ресивера, более легкого и дешевого, чем аккумулятор, позволяет увеличить количество рекуперируемой энергии за счет более полного использования объема аккумулятора и уменьшить степень сжатия газа и, соответственно, диапазон изменения производительности работающих в составе системы гидромашин, что повышает эффективность рекуперации.
Недостатком таких устройств, применяемых для рекуперации гидравлической энергии, является высокий уровень тепловых потерь, обусловленный тем, что при сжатии и расширении газ в ресивере обменивается теплом только с внутренними стенками ресивера, расстояние между которыми для типичных объемов ресиверов (единицы и десятки литров) слишком велико (десятки и сотни мм), а теплопроводность газа мала.
При таких расстояниях теплообмен газа со стенками ресивера за счет теплопроводности газа незначителен. Поэтому процессы сжатия и расширения газа существенно неизотермичны и в ресивере возникают значительные температурные градиенты, достигающие десятков и даже сотен градусов. Большие перепады температуры в большом объеме ресивера порождают конвективные потоки, многократно (в десятки и сотни раз) увеличивающие теплопередачу на его стенки. Поэтому нагретый при сжатии газ в ресивере и, частично, в аккумуляторе остывает, что приводит к снижению его давления и потерям запасенной энергии, увеличивающимся при хранении запасенной энергии (например, при остановке гидравлического гибридного автомобиля). Неравновесные процессы теплопередачи при больших перепадах температур необратимы, т.е. большая часть тепла, отданного от сжатого газа стенкам ресивера, не может быть возвращена газу при расширении. Поэтому при расширении газа в гидросистему возвращается существенно меньшее количество гидравлической энергии, чем было получено при его сжатии.
Таким образом, вышеописанное устройство обладает низкой эффективностью рекуперируемой гидравлической энергии из-за высоких тепловых потерь.
Недостатком этого устройства является и то, что аккумулятор и ресивер выполнены раздельно, в собственных прочных корпусах, что увеличивает габариты и массу изделия.
Дополнительным недостатком является то, что ресиверы в таких устройствах выполнены с внешними оболочками в виде тел вращения, что затрудняет их интеграцию в агрегаты с плотной компоновкой, например, в автомобили.
Также существенным недостатком всех вышеописанных устройств при использовании в автомобилях и прочих мобильных приложениях является то, что при повреждении оболочки ресивера или аккумулятора, например, в результате дорожного происшествия, весь сжатый газ, находящийся в ресивере и аккумуляторе, может быть мгновенно с большой кинетической энергией выброшен в образовавшуюся пробоину, что может привести к опасным поражениям находящихся рядом предметов и людей.
Кроме того, даже при небольшой пробоине потеря всего сжатого газа приводит к полному отказу устройства, что также является недостатком.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание устройства для рекуперации гидравлической энергии с уменьшенными тепловыми потерями и повышенной эффективностью рекуперации гидравлической энергии, а также с уменьшенной кинетической энергией газа, который может быть выброшен при разрушении внешних стенок устройства и повышенной безопасностью при использовании в мобильных приложениях.
Дополнительной задачей настоящего изобретения является обеспечение работоспособности устройства при частичном разрушении его внешних стенок и повышение тем самым его надежности.
Дополнительной задачей является также облегчение интегрирования устройства в различные агрегаты, в том числе в грузовые и легковые автомобили.
Решение поставленной задачи достигается тем, что предложено устройство рекуперации гидравлической энергии, включающее, по меньшей мере, один гидропневматический аккумулятор, в корпусе которого выполнен жидкостный порт, сообщающийся с жидкостным резервуаром аккумулятора, отделенным подвижным разделителем от газового резервуара аккумулятора, который через газовый порт сообщается, по меньшей мере, с одним газовым ресивером, причем ресивер выполнен в виде совокупности ячеек, сообщающихся с газовым портом аккумулятора.
Для улучшения теплообмена ячейки предпочтительно выполняют в виде узких длинных каналов, так что среднее по объему ресивера расстояние от точки в газе до ближайшей теплообменной поверхности канала не превышает 5 мм в исполнениях, предназначенных для рекуперации со временами сжатия/расширения в десятки секунд, и не превышает 2 мм в исполнениях, предназначенных для рекуперации с временами сжатия/расширения в единицы секунд. При этом для типичных цилиндрических или призматических форм ячеек отношение объема ресивера к площади внутренних поверхностей ячеек не превышает 10 мм или 4 мм соответственно. Для повышения безопасности ресивер предпочтительно выполняют, по меньшей мере, из 10 ячеек.
Таким образом, при сжатии или расширении газа в ресивере теплообмен между газом и стенками ячеек происходит на уменьшенных расстояниях, а значит и с меньшими перепадами температур, что повышает обратимость процессов теплообмена и эффективность рекуперации.
Дополнительное снижение тепловых потерь достигается при выполнении ячеек с элементами вихреобразования, обеспечивающими возможность увеличения турбулентности потока газа в ячейках.
Интенсивность теплообмена газа со стенками при турбулентном течении значительно выше, чем при ламинарном течении. Чем больше рекуперируемая мощность, тем выше скорость протекания газа через ячейки и тем сильнее турбулентность, а значит и интенсивность теплообмена.
Еще большее снижение тепловых потерь достигается улучшением теплообмена и в аккумуляторе, а именно тем, что аккумулятор включает сжимаемый регенератор в газовом резервуаре, выполненный с возможностью уменьшать расстояние между теплообменными поверхностями при уменьшении объема газового резервуара и увеличивать при его увеличении. При максимальном объеме газового резервуара аккумулятора среднее расстояние между соседними теплообменными поверхностями регенератора не превышает 10 мм.
Таким образом, при сжатии или расширении газа в аккумуляторе теплообмен между газом и поверхностями регенератора происходит на уменьшенных расстояниях, а значит и с меньшими перепадами температур, что повышает обратимость процессов теплообмена и эффективность рекуперации.
Сжимаемый регенератор в аккумуляторе может быть выполнен из гибкого пористого материала, например из вспененного эластомера. В этом случае аккумулятор снабжается фильтром, выполненным с возможностью пропускать из газового резервуара аккумулятора в ресивер газ и не пропускать пористый материал, а регенератор выполняется с повышенной газопроницаемостью вблизи газового порта аккумулятора.
В предпочтительном по долговечности и надежности исполнении сжимаемый регенератор аккумулятора выполнен из листовых, предпочтительно металлических, 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.
Помимо повышения долговечности и надежности за счет лучших упругих свойств и малых относительных деформаций листовых элементов в таком исполнении также значительно снижен риск поражения окружающих предметов и людей. При локальном повреждении оболочки, например, в результате дорожного происшествия, газ выбрасывается в образовавшуюся пробоину, создавая перепады давления на листовых элементах и увлекая их к пробоине, вследствие чего напротив пробоины формируется пакет листовых элементов, а кинетическая энергия выбрасываемого в пробоину газа значительно снижается.
Ресивер может быть выполнен в виде сообщающихся с коллектором отдельных ячеек, каждая из которых имеет свой корпус, что дает максимальную гибкость в выборе формы и расположения ячеек.
Для снижения массы и уменьшения теплообмена с окружающей средой ресивер выполняется с общими стенками для смежных ячеек. Такой ресивер имеет внешнюю оболочку, внутри которой выполнена совокупность перегородок, разбивающих внутренний объем ресивера на совокупность ячеек в форме тонких трубок, так что суммарная теплоемкость перегородок превышает теплоемкость газа при максимальном давлении, предпочтительно превышает 100 КДж/К/м3.
Ресивер может быть исполнен с традиционной массивной прочной внешней оболочкой (например, в виде тела вращения), выполненной с возможностью выдерживать максимальное давление в ресивере в отсутствие перегородок. Совокупность перегородок, располагающихся внутри внешней оболочки, в таких исполнениях выполняет только функцию теплообменника-регенератора. В таком варианте предпочтительно по технологичности выполнять совокупность перегородок в виде упругой структуры, с возможностью загрузки в готовую внешнюю оболочку ресивера, например из упругих металлических или полимерных элементов.
Предпочтительно выполнять совокупность ячеек ресивера в виде сотовой структуры, в которой перегородки связаны друг с другом и с внешней оболочкой ресивера с возможностью уравновешивать силы давления газа суммой сил упругой деформации растяжения внешней оболочки и соединенных с ней перегородок. Таким образом, перегородки, принимая на себя часть нагрузки, разгружают внешнюю оболочку, что позволяет выполнять ее менее прочной и массивной, а также расширяет возможности выполнять ресиверы различных форм и соотношений размеров, облегчая тем самым интегрирования устройства в существующие агрегаты, в том числе в автомобили.
Для ячеек, примыкающих к внешней оболочке, предпочтительно выполнять ограничивающие их перегородки так, чтобы они выдерживали без разрушения перепад давления (между максимальным давлением и атмосферным давлением), возникающий при мгновенном нарушении герметичности внешней оболочки, например, в результате дорожного происшествия. Таким образом, при локальном повреждении внешней оболочки и пробое одной или нескольких ячеек остальные ячейки остаются неповрежденными. Газ из неразрушенных ячеек выбрасывается в образовавшуюся пробоину, протекая через неразрушенные ячейки, через коллектор и через ячейку, примыкающую к разрушенному участку оболочки, что значительно снижает его кинетическую энергию и поражающую способность.
Для большего снижения кинетической энергии выбрасываемого газа предпочтительно выполнять в ячейках элементы ограничения потока, ограничивающие газовый поток при перепадах давления на них выше выбранного уровня, превышающего, по меньшей мере, в 10 раз, перепад давления при максимальной рабочей скорости обмена газа между аккумулятором и ресивером. Элементы ограничения потока могут быть выполнены, например, в виде критической диафрагмы. Максимальная рабочая скорость обмена газа между аккумулятором и ресивером может определяться режимом работы гидросистемы.
Для устройств широкого применения предпочтительно выбирать максимальную скорость обмена газа, соответствующую максимальной скорости потока жидкости через жидкостный порт аккумулятора, определяемую конструкцией жидкостного порта.
Для еще большего снижения энергии газа, выброшенного при аварии, и для сохранения работоспособности при повреждении части ячеек предлагается исполнение устройства, которое включает, по меньшей мере, один аварийный клапан, установленный на пути протекания газа между аккумулятором и группой ячеек ресивера (или, по меньшей мере, одной ячейкой), например, на входе в группу ячеек или даже на входе в каждую ячейку, и выполненный с возможностью блокировать протекание газа через него при перепаде давления на указанном клапане, превышающем заданный уровень, предпочтительно выбранный в диапазоне от 0,03 до 0,3 от максимального давления газа в устройстве. Аварийные клапаны выполняются, например, в виде упругих лепестков, способных деформироваться и прерывать сообщение ячейки или ее части с коллектором при перепаде давления на нем выше указанного выбранного уровня. Такие простые клапаны могут устанавливаться в каждой ячейке, а для повышения надежности дополняться несколькими отдельными клапанами с повышенной надежностью запирания, устанавливаемыми на запирание групп ячеек.
В этом случае мгновенный выброс газа при локальном повреждении внешней оболочки, например, в результате дорожного происшествия, ограничивается количеством газа, содержащегося в одной или нескольких ячейках, примыкающих к разрушенному участку внешней оболочки, в то время как газ в остальных ячейках удерживается деформирующимися, но сохраняющими целостность перегородками и запертыми аварийными клапанами, что сохраняет работоспособность устройства и повышает тем самым его надежность, а также значительно снижает суммарную энергию выброса, еще сильнее снижая риск поражения окружающих предметов и людей.
В исполнениях, в которых аккумулятор и ресивер выполнены раздельными, а газовый порт аккумулятора соединен с ячейками ресивера через газовую магистраль, порт ресивера и коллектор ресивера для лучшего обеспечения безопасности вышеуказанные аварийные клапаны выполнены с возможностью отделять газовую магистраль от газового порта аккумулятора и от коллектора ресивера. Тем самым ограничивается количество газа, выбрасываемого при повреждении магистрали, а также предотвращается газообмен между аккумулятором и ресивером при повреждении одного из них.
Предлагается интегральное исполнение устройства, в котором внутри ресивера, выполненного в виде сотовой структуры, размещен, по меньшей мере, один аккумулятор так, что ресивер является корпусом для аккумулятора, вследствие чего значительно снижаются размеры и вес по сравнению с раздельным исполнением, а также повышается надежность и безопасность за счет исключения уязвимой внешней магистрали, связывающей ресивер и аккумулятор, и защиты аккумулятора от внешнего разрушительного воздействия.
Аккумулятор в интегральном исполнении устройства может быть выполнен с эластичным разделителем, например, в виде баллона.
Для уменьшений утечек газа через разделитель предпочтительно выполнять аккумулятор с поршневым разделителем, находящимся в скользящем изолирующем контакте с тонкостенным металлическим рукавом, который помещен внутрь корпуса в виде сотового ресивера, причем зазор между металлическим рукавом и перегородками ресивера сообщается с газовым или с жидкостным резервуаром аккумулятора, а соединение металлического рукава с ресивером выполнено с возможностью предотвращения деформаций рукава в зоне скользящего изолирующего контакта с поршнем при повышении давления газа, предпочтительно, путем соединения металлического рукава с ресивером вне указанной зоны. Таким образом, давления внутри и снаружи металлического рукава одинаковы, а напряжения от перегородок ресивера передаются на него вне зоны скользящего изолирующего контакта с поршнем, поэтому в указанной зоне рукав не деформируется при изменении давления газа. При этом достигается многократное снижение веса такого тонкостенного поршневого аккумулятора, встроенного в ресивер.
Для уменьшения износа уплотнений поршня при использовании в гидросисистемах с высоким уровнем пульсаций потока жидкости предлагается исполнение, в котором поршень содержит полость, с эластичным мембранным разделителем, разделяющим полость в поршне на газовую часть, сообщающуюся с газовым резервуаром аккумулятора, и на жидкостную часть, сообщающуюся с жидкостным резервуаром аккумулятора. В таком исполнении высокочастотные пульсации потока и давления вызывают вибрирующее движение мембраны при покоящемся или равномерно движущемся поршне. Таким образом обеспечиваются сохранность уплотнений поршня и высокая степень сглаживания пульсаций.
Для минимизации утечек предпочтительно выполнять такой эластичный разделитель в виде металлического сильфона, выполненного из листовых элементов, расположенных поперечно направлению движения поршня и разделяющих газовую часть полости в поршне на сообщающиеся газовые слои переменной толщины, с возможностью увеличения толщины разделяемых указанными листовыми элементами газовых слоев при увеличении объема газовой части указанной полости и уменьшения толщины указанных газовых слоев - при его уменьшении. Такое исполнение разделителя обеспечивает также хороший теплообмен и регенерацию тепла в газовой части полости, повышая общую эффективность рекуперации.
Более подробно детали изобретения описываются в нижеприведенных примерах, иллюстрируемых чертежами, на которых представлены:
Фиг.1 - Устройство для рекуперации гидравлической энергии с поршневым аккумулятором и ячейками ресивера в виде отдельных трубок, осевой разрез.
Фиг.2 - Ячейка ресивера в виде трубки с элементами вихреобразования, осевой разрез.
Фиг.3 - Устройство для рекуперации гидравлической энергии с поршневым аккумулятором, снабженным сжимаемым регенератором, и ячейками ресивера в виде трубок, расположенных поверх корпуса аккумулятора, осевой разрез и разрез в плоскости, перпендикулярной оси вращения.
Фиг.4 - Ресивер с внешней оболочкой в виде тела вращения и ячейками, образованными совокупностью перегородок, выполненных из упругих металлических полос, осевой разрез и разрез в плоскости, перпендикулярной оси вращения.
Фиг.5 - Устройство для рекуперации гидравлической энергии с аккумулятором, внешней магистралью и ресивером с внешней оболочкой и ячейками в виде сотовой структуры, осевой вырез и разрез в плоскости, перпендикулярной оси вращения.
Фиг.6 - Фрагмент сотовой структуры ресивера - недеформированное состояние перегородок, разрез в плоскости, перпендикулярной оси вращения ресивера.
Фиг.7 - Фрагмент сотовой структуры ресивера - деформированное состояние перегородок при повреждении внешней оболочки, разрез в плоскости, перпендикулярной оси вращения ресивера.
Фиг.8 - Вариант исполнения аварийного клапана, разрез.
Фиг.9 - Устройство для рекуперации гидравлической энергии с поршневым аккумулятором, поршнем, помещенным в металлический рукав внутри корпуса в виде сотового ресивера, осевой разрез и разрез в плоскости, перпендикулярной оси вращения аккумулятора.
Фиг.10 - Устройство для рекуперации гидравлической энергии с тремя аккумуляторами, окруженными ячейками ресивера, составляющими корпус аккумуляторов, осевой разрез и разрез в плоскости, перпендикулярной оси вращения аккумуляторов.
Фиг.11 - Устройство для рекуперации гидравлической энергии с двумя аккумуляторами высокого давления и пятью аккумуляторами низкого давления, окруженными ячейками ресивера, составляющими корпус аккумуляторов, разрез в плоскости, перпендикулярной оси вращения аккумуляторов.
Устройство для рекуперации гидравлической энергии по Фиг.1 включает гидропневматический аккумулятор 1, в корпусе 2 которого выполнен жидкостный порт 3, сообщающийся с жидкостным резервуаром 4 аккумулятора. Жидкостный резервуар 4 отделен подвижным разделителем в виде поршня 5 (далее - поршень) от газового резервуара 6 аккумулятора, который через газовый порт 7 сообщается с ресивером 8, выполненным в виде совокупности ячеек 9 в форме отдельных трубок. Ячейки 9 сообщаются друг с другом и с газовым портом 7 аккумулятора 1 через коллектор 10. Для обеспечения хорошего теплообмена между газом и стенками ячеек 9 отношение объема ресивера к площади внутренних поверхностей ячеек выбирают не превышающим 10 мм в исполнениях, предназначенных для рекуперации с временами сжатия/расширения в десятки секунд, и не превышающим 4 мм в исполнениях, предназначенных для рекуперации с временами сжатия/расширения в единицы секунд. Для случая длинных цилиндрических трубок это соответствует радиусу трубок не более 20 мм и 8 мм соответственно.
Для улучшения теплообмена между газом и стенками ячеек ресивера ячейки могут выполняться с элементами вихреобразования. На Фиг.2 показана ячейка 9 в виде трубки с элементами вихреобразования в виде диафрагм 11, увеличивающих турбулентность потока газа в ячейке. Чем больше рекуперируемая мощность, тем выше скорость протекания газа через ячейку 9 и диафрагмы 11, а значит тем выше турбулентность газового потока в ячейке. Следовательно, и интенсивность теплообмена газа со стенками 12 ячейки 9 тоже выше. Диаметр отверстий 13 в диафрагмах 11 и количество диафрагм выбирают исходя из максимального давления газа в ресивере и рабочего диапазона скоростей потока газа между ресивером и аккумулятором.
Дополнительное снижение тепловых потерь при рекуперации достигается улучшением теплообмена и в аккумуляторе. Устройство по Фиг.3 включает гидропневматический аккумулятор 1, в газовом резервуаре 6 которого установлен сжимаемый регенератор 14 в форме многослойной пружины, собранной из металлических листовых элементов 15, расположенных поперечно направлению движения разделителя так, что расстояние между теплообменными поверхностями листовых элементов 15 уменьшается при уменьшении объема газового резервуара 6 и увеличивается при его увеличении. Количество листовых элементов 15 выбирают так, чтобы при максимальном объеме газового резервуара 6 среднее расстояние между соседними теплообменными поверхностями сжимаемого регенератора 14 не превышало 10 мм в исполнениях, предназначенных для рекуперации с временами сжатия/расширения в десятки секунд, и не превышало 3 мм в исполнениях, предназначенных для рекуперации с временами сжатия/расширения в единицы секунд. В исполнениях устройства, предпочтительных по цене, сжимаемый регенератор аккумулятора может быть выполнен из гибкого пористого материала, например из вспененного эластомера. Возможно также комбинированное исполнение, в котором между металлическими листовыми элементами сжимаемого регенератора помещены прокладки из гибкого пористого материала. Такое исполнение обладает наименьшими тепловыми потерями в аккумуляторе.
Ресиверы по Фиг.4, Фиг.5, Фиг.9-11 выполнены с общими стенками для смежных ячеек. Ресивер по 8 Фиг.5 имеет внешнюю оболочку 16, внутри которой выполнена совокупность перегородок 17, разбивающих внутренний объем ресивера на совокупность ячеек 9 в форме тонких трубок. Толщину и количество перегородок 17 выбирают так, чтобы их суммарная теплоемкость превышала теплоемкость газа в ресивере при максимальном давлении.
В предпочтительном по технологичности исполнении ресивер Фиг.4 имеет внешнюю оболочку 16 в виде тела вращения, внутри которого помещена совокупность перегородок 17. Внешняя оболочка 16 рассчитана на максимальное давление в ресивере в отсутствие перегородок, выполняющих в таком ресивере только функцию теплообменника-регенератора. Перегородки 17 выполнены из упругих металлических или полимерных полос, свернутых в многослойную спиральную пружину для удобства загрузки во внешнюю оболочку 16 ресивера через его порт 18.
Совокупность ячеек с общими стенками для смежных ячеек в ресиверах по Фиг.5, Фиг.9-11 выполнена в виде сотовой структуры, в которой перегородки 17 связаны друг с другом и с внешней оболочкой 16 так, что имеют возможность растягиваться при увеличении давления газа в ресивере.
Поскольку перегородки 17 в сотовой структуре принимают на себя часть нагрузки, разгружая внешнюю оболочку 16 ресивера, последняя может быть менее толстой и массивной, что расширяет возможности выполнять ресиверы различных форм и соотношений размеров.
На Фиг.5 представлен ресивер с внешней оболочкой 16 в форме тела вращения, заполненного перегородками 17 в виде сотовой структуры. Перегородки ячеек, примыкающих к внешней оболочке 16 ресивера, предпочтительно выполняют так, чтобы они выдерживали без разрушения перепад давления (между максимальным рабочим давлением и атмосферным давлением), возникающий при мгновенном нарушении герметичности внешней оболочки 16 или любой соседней ячейки 9.
На Фиг.6 и Фиг.7 показаны фрагменты сотовой структуры с неповрежденными (Фиг.6) перегородками 17, примыкающими к внешней оболочке 16, и в деформированном (Фиг.7) их состоянии при повреждении внешней оболочки 16. Конфигурация перегородок 17 сотовой структуры, их материал и толщина выбраны так, что при локальных разрушениях внешней оболочки 16 перегородки 17 деформируются, но сохраняют свою целостность. Характер повреждения на Фиг.7, выбранный для моделирования методом конечных элементов, соответствует пробою внешней оболочки 16 в одной ячейке 9. Для большей наглядности все деформации на Фиг.6 и Фиг.7 многократно увеличены. Таким образом, газ из аккумулятора и неразрушенных ячеек выбрасывается в образовавшуюся пробоину 35, преодолевая сопротивление сотовой структуры и коллектора, что значительно снижает его кинетическую энергию и поражающую способность.
Для большего снижения кинетической энергии выбрасываемого при повреждении внешней оболочки 16 газа предпочтительно выполнять в ячейках 9 элементы ограничения потока. На Фиг.2 показана ячейка 9 в виде трубки с диафрагмами 11. Диафрагмы 11 выполнены как критические диафрагмы и работают как элементы вихреобразования на рабочих скоростях обмена газа между аккумулятором и ресивером. При перепадах давления на диафрагмах 11 выше выбранного уровня, превышающего, по меньшей мере, в 10 раз, перепад давления при максимальных рабочих скоростях сжатия и расширения газа в устройстве, диафрагмы 11 выполняют функцию элементов ограничения потока.
Для сохранения работоспособности устройства при частичном повреждении внешней оболочки предпочтительно оснащать коллектор ресивера или его ячейки аварийными клапанами, предназначенными запирать ячейку или ее часть, давление в которой резко понизилось относительно давления с другой стороны клапана. На Фиг.8 приведен вариант исполнения двунаправленного аварийного клапана, выполненного в виде диафрагмы 11, выполняющей также функцию элемента вихреобразования, и упругих лепестков 19. Упругие лепестки 19 способны деформироваться и закрывать отверстие 13 диафрагмы 11, прерывая, таким образом, сообщение ячейки или ее части с коллектором при повышении перепада давления на диафрагме 11 до выбранного уровня, который, по меньшей мере, в 10 раз превышает перепад давления на ней при максимальных рабочих скоростях сжатия и расширения газа в устройстве. Максимальная рабочая скорость обмена газа между аккумулятором и ресивером может определяться режимом работы гидросистемы. Для устройств широкого применения предпочтительно выполнять аварийный клапан с возможностью запираться при перепаде давления на нем, превышающем заданный уровень, предпочтительно выбранный в диапазоне от 0,03 до 0,3 от максимального давления газа в устройстве.
Для лучшего обеспечения безопасности (Фиг.5) газовый порт 7 аккумулятора 1 и порт 18 ресивера 8 включают аварийные клапаны 20, запирающиеся при резком падении давления в газовой магистрали 21, соединяющей аккумулятор 1 с ресивером 8. Таким образом, ограничивается количество газа, выбрасываемого при повреждении магистрали 21, и предотвращается газообмен между аккумулятором 1 и ресивером 8 при повреждении одного из них.
На Фиг.9 приведен предпочтительный для минимизации потерь газа аккумулятор, поршень 5 которого находится в скользящем изолирующем контакте с тонкостенным металлическим рукавом 22, который помещен внутрь ресивера 8, выполненного в виде сотовой структуры. Зазор 23 между металлическим рукавом 22 и перегородками 17 ресивера 8 сообщается с газовым резервуаром 6 аккумулятора. Давления в аккумуляторе, соединенных с ним ячейках 9 ресивера 8 и указанном зазоре одинаковы, что обеспечивает сохранность формы рукава 22 и качество уплотнения между ним и поршнем 5. Механическое соединение металлического рукава 22 с ресивером 8 выполнено вне зоны скользящего изолирующего контакта рукава 22 с поршнем 5. Таким образом, деформирующие воздействия со стороны стенок ячеек 9 ресивера 8, подвергающихся растяжению при повышении давления газа, приложены вне зоны уплотнения, а деформация рукава 22 в зоне скользящего изолирующего контакта с поршнем 5 предотвращена. Для уменьшения износа уплотнений 24 поршня 5 при использовании в гидросистемах с высоким уровнем пульсаций потока жидкости поршень 5 содержит полость 25 с эластичным мембранным разделителем в виде легкого сильфона 26, разделяющим полость 25 в поршне 5 на газовую часть 27, сообщающуюся с газовым резервуаром 6 аккумулятора через окна 28, и на жидкостную часть 29, сообщающуюся с жидкостным резервуаром 4 аккумулятора через окна 30. Высокочастотные пульсации потока и давления принимает на себя легкий сильфон 26, а более массивный поршень 5 движется равномерно или покоится. Таким образом, обеспечиваются сохранность уплотнений 24 поршня 5 и высокая степень сглаживания пульсаций.
В ресивере по Фиг.10 ячейки 9 в виде сотовой структуры, образованной совокупностью перегородок 17, окружают облегченные корпуса 2 трех аккумуляторов 1 и вместе с внешней оболочкой 16 служат общим корпусом этих аккумуляторов. В таком исполнении для аккумуляторов 1 с поршневыми разделителями 5 достаточно дополнительного легкого изолирующего корпуса в виде металлического рукава 22, как в исполнении по Фиг.9, а аккумуляторы с мембранными или баллонными разделителями могут быть размещены непосредственно в полостях внутри указанной сотовой структуры. Предлагаемая компоновка позволяет помещать внутрь сотовой структуры ячеек любое необходимое количество аккумуляторов.
В гидросистемах, содержащих также аккумуляторы и на стороне низкого давления (например, в гидравлических гибридных автомобилях), предпочтительно применение интегральной компоновки, пример которой показан на Фиг.11. Устройство по Фиг.11 включает два аккумулятора 1 высокого давления и пять аккумуляторов 31 низкого давления. Аккумуляторы высокого давления 1 окружены двумя слоями ячеек 9 уменьшенного размера, что придает корпусам аккумуляторов 1 повышенную прочность. Ячейки 9 уменьшенного размера образуют ресивер высокого давления 32, соединенный с аккумуляторами 1 высокого давления, а ячейки 33 большего размера образуют ресивер низкого давления 34, соединенный с аккумуляторами 31 низкого давления (для простоты указанные соединения на Фиг.11 не показаны). Аккумуляторы низкого давления 31 расположены со стороны наиболее вероятного разрушающего воздействия на устройство, например с внешней стороны по отношению к шасси гидравлического гибридного автомобиля, в то время как аккумуляторы 1 и ресивер 32 высокого давления расположены с наиболее защищенной стороны устройства, например со стороны шасси гидравлического гибридного автомобиля. Предлагаемая компоновка обладает еще большей безопасностью, защищая ресивер и аккумуляторы высокого давления от разрушения и существенно уменьшая энергию струи газа при повреждении внешней оболочки, а также позволяет создавать устройства с любым необходимым количеством аккумуляторов высокого и низкого давлений, любым необходимым объемом ресивера, объединенных в один узел требуемой геометрической формы, что облегчает интегрирование устройства в различные агрегаты, в том числе в грузовые и легковые автомобили.
Вышеописанные исполнения являются примерами воплощения основного замысла настоящего изобретения, которое предполагает также множество других вариантов исполнения, не описанных здесь подробно, например, включающих несколько аккумуляторов и ресиверов, соединенных совокупностью газовых магистралей, и снабженных совокупностью аварийных клапанов с возможностью отключать поврежденные аккумуляторы и группы ячеек ресиверов, а также различные варианты выполнения аварийных клапанов в ресивере или в аккумуляторе.
Таким образом, предложенные решения позволяют создать устройство для рекуперации гидравлической энергии со следующими качествами:
- уменьшенными тепловыми потерями и повышенной эффективностью рекуперации гидравлической энергии,
- сниженной кинетической энергией газа, который может быть выброшен при разрушении внешних стенок устройства,
- сохранением работоспособности устройства при частичном разрушении его внешних стенок,
- гибкостью в выборе внешней формы ресивера.
Литература
1. Л.С.Столбов, А.Д.Петрова, О.В.Ложкин «Основы гидравлики и гидропривод станков», Москва, «Машиностроение», 1988, стр.172.
2. Патент US 6405760.
3. Х.Экснер, Р.Фрейтаг, Д-р X.Гайс, Р.Ланг, Й.Оппольцер, П.Шваб, Е.Зумпф, У.Остендорфф, М.Райк «Гидропривод. Основы и компоненты», Издание 2-е на русском яз., Бош Рексрот АГ Сервис Автоматизация Дидактика Эрбах Германия, 2003, стр.156.