СПОСОБ РАБОТЫ ПОРШНЕВОЙ ГИБРИДНОЙ МАШИНЫ ОБЪЕМНОГО ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF WORK OF THE RECIPROCATING HYBRID POWER MACHINE OF VOLUMETRIC ACTION AND THE DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION (OPTIONS)

Изобретение относится к области поршневых гибридных энергетических машин и может быть использовано при одновременном или попеременном сжатии жидкостей и газов при большой разности их давлений без их взаимного загрязнения.
Известен способ работы поршневой гибридной машины объемного действия, заключающийся в попеременном всасывании, сжатии и нагнетании газа и жидкости (см., например, патент РФ №125635 «Поршневой насос-компрессор», МПК F04B 19/06, опубл. 10.03.2013, бюл. №7).
Известен также способ работы поршневой гибридной машины объемного действия, заключающийся в попеременном всасывании, сжатии и нагнетании газа и жидкости, находящихся соответственно в надпоршневой и подпоршневой полостях цилиндра (см. патент РФ №2538371 «Способ работы насос-компрессора и устройство для его осуществления», МПК F04B 19/06, опубл. 10.01.2015, бюл. №1).
Недостатком известных способов является невозможность сжатия жидкости до давления, существенно (в 2 раза и более) превышающего давление нагнетания газа без загрязнения последнего жидкостью, а также сжатия газа до давления, существенно превышающего давление жидкости, т.к. в этом случае в жидкость попадает большое количество газа, что делает нестабильной работу питаемого ей гидравлического оборудования.
Первое обстоятельство связано с тем, что жидкость обладает на несколько порядков большей вязкостью, чем газ. При высоком давлении нагнетания жидкости она занимает не только весь объем уплотнения, но и проникает в газовую камеру над поршнем, а в процессе сжатия-нагнетания газа она не может быть вытеснена через бесконтактное уплотнение назад в подпоршневое пространство. Из-за этого жидкость постепенно скапливается над поршнем, и когда ее объем превышает объем мертвого пространства газовой полости, в конце хода нагнетания газа сначала жидкость начинает в значительном количестве выталкиваться в нагнетаемый газ, что затрудняет работу нагнетательной линии по очистке газа от примесей. И далее, по мере дальнейшего увеличения слоя жидкости над поршнем, происходит гидроудар, т.к. большой объем жидкости не может быть вытеснен через газовый нагнетательный клапан (или клапаны) в связи с его относительно малым проходным сечением.
Второе обстоятельство связано с тем, что скорость течения газа в щелевом уплотнении гораздо выше скорости течения жидкости, в связи с чем давление газа на линии раздела газа и жидкости в уплотнении практически мгновенно достигает давления в газовой камере цилиндра,  и при высоком (по сравнению с жидкостью) давлении сжатия-нагнетания газа он в процессе сжатия-нагнетания вытесняет полностью жидкость из зазора и беспрепятственно попадает в жидкостную камеру подпоршневого пространства.
Уменьшение радиального зазора между поршнем и цилиндром и увеличение длины поршня с целью снижения расхода жидкости или газа через бесконтактное поршневое уплотнение приводит к увеличению массы поршня и в связи с этим - снижению частоты его возвратно-поступательного движения из-за увеличения массы неуравновешенных частей, что, в свою очередь, приводит к росту габаритов и уменьшению общей эффективности машины.
Кроме того, уменьшение радиального зазора помимо известных технологических проблем приводит к снижению массы жидкости, омывающей стенки поршня, что приводит к уменьшению отвода от него теплоты и ухудшению термодинамики цикла за счет увеличения показателя политропы процесса сжатия.
Технической задачей изобретения является расширение диапазона рабочих параметров поршневой гибридной машины объемного действия и улучшение эффективности ее работы.
Указанная задача достигается тем, что при осуществлении способа работы поршневой гибридной машины объемного действия, заключающегося в попеременном всасывании, сжатии и нагнетании газа и жидкости, находящихся соответственно в надпоршневой и подпоршневой полостях цилиндра, согласно изобретению в процессе сжатия и нагнетания зазор между поршнем и цилиндром изменяют в большую или меньшую сторону. При этом если имеется существенное превышение нагнетания газа над давлением нагнетания жидкости, зазор между поршнем и цилиндром уменьшают на ходе сжатия- нагнетания газа, а при существенном превышении давления нагнетания жидкости над давлением нагнетания газа зазор между поршнем и цилиндром уменьшают на ходе сжатия-нагнетания жидкости.
Поршневая гибридная машина объемного действия, реализующая вышеописанный способ, содержащая цилиндр, разделенный на газовую и жидкостную полости находящимся в нем с зазором поршнем, соединенным с механизмом привода, всасывающие и нагнетательные газовые и жидкостные клапаны, соединенные с линиями всасывания и нагнетания газа и жидкости, согласно изобретению цилиндр и поршень выполнены в виде усеченных конусов с одинаковыми углами между образующей конусов и осью цилиндра.
Цилиндр также может быть выполнен с прямолинейной образующей, а поршень согласно изобретению может быть снабжен кольцевой выточкой с установленным в ней наружным кольцом, выполненным из упругого материала, опирающимся внутренней поверхностью на сегменты, расположенные по окружности в упомянутой выточке, причем эти сегменты с их внутренней стороны контактируют с телами качения, распертыми конусом, соединенным с упругой мембраной, установленной на днище поршня. Или поршень может быть снабжен кольцевой выточкой с установленным в ней наружным кольцом, выполненным из упругого материала, опирающимся внутренней поверхностью на сегменты, расположенные по окружности в упомянутой выточке, причем с внутренней стороны упомянутых сегментов эта выточка соединена с подпоршневой жидкостной полостью.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
НГ
НЖ
НГ
НЖ
На фиг. 1 изображены схемы двух вариантов машины с конусными поршнем и цилиндром, при этом слева от оси симметрии показан вариант машины для случая, когда давление нагнетания газа существенно ниже давления нагнетания жидкости (Р<<Р), а справа от оси симметрии - обратный случай (Р>>Р).
На фиг. 2 и фиг. 3 показана эта же конструкция при ходе поршня вверх (фиг. 2) и вниз (фиг. 3).
На фиг. 4 и фиг. 5 показан вариант машины, в которой зазор между поршнем и цилиндром уменьшается при сжатии газа, а на фиг. 6 - вариант машины, у которой зазор между поршнем и цилиндром уменьшается при сжатии жидкости.
Поршневая гибридная машина объемного действия (фиг. 1) содержит цилиндр 1, разделенный на газовую 2 и жидкостную 3 полости находящимся в нем с зазором поршнем 4, соединенным с механизмом привода штоком 5 (сам механизм привода условно не показан), всасывающие 6 и нагнетательные 7 газовые и всасывающие 8 и нагнетательные 9 жидкостные клапаны, соединенные с линиями всасывания 10 и нагнетания 11 газа и с линиями всасывания 12 и нагнетания 13 жидкости.
Цилиндр 1 и поршень 4 выполнены в виде усеченных конусов с одинаковыми углами α (левый от оси цилиндра 1 вариант машины) и β (правый от оси цилиндра 1 вариант машины) между образующей конусов и осью цилиндра 1.
НГ
НЖ
ВГ
ВЖ
На фиг. 1 и последующих введены следующие обозначения: Р - давление нагнетания газа, Р - давление нагнетания жидкости, Р - давление всасывания газа, Р - давление всасывания жидкости.
На фиг. 4 и фиг. 5 схематично показана машина с активным воздействием на зазор между поршнем 4 и цилиндром 1, которое производится за счет изменения давления в полости 2.
В этом варианте поршень 4 снабжен кольцевой выточкой 14 с установленным в ней наружным кольцом 15, выполненным из упругого материала и опирающимся внутренней поверхностью на сегменты 16, расположенные по окружности в упомянутой выточке 14, причем эти сегменты с их внутренней стороны через штыри 17 контактируют с телами качения 18, распертыми конусом 19, соединенным с упругой мембраной 20, закрепленной на днище поршня 4. Тела качения 18 распределены по окружности сепаратором, представляющим собой выступы 21 (фиг. 5) на площадке 22 опоры тел качения 18, которая расположена в полости 23(фиг. 4) поршня 4.
На фиг. 6 схематично показана машина с активным воздействием на зазор между поршнем 4 и цилиндром 1, которое производится за счет изменения давления в полости 3. Здесь так же, как и в конструкции, изображенной на фиг. 4 и фиг. 5, поршень 4 снабжен кольцевой выточкой 14 с установленным в ней наружным кольцом 15, выполненным из упругого материала, опирающимся внутренней поверхностью на сегменты 16, расположенные по окружности в выточке 14, но с внутренней стороны сегментов 16 эта выточка 14 соединена каналами 24 с подпоршневой жидкостной полостью 3.
Способ работы машины осуществляется следующим образом (фиг. 1 и фиг. 2).
1. Давление нагнетания жидкости существенно больше давления нагнетания газа (левая часть чертежей).
А. При ходе поршня 4 вверх (фиг. 2) в полости 2 осуществляется сжатие и нагнетание газа, клапан 6 закрыт, клапан 7 открывается при достижении давления газа выше давления в линии нагнетания 11.
В полости 3 в это время происходит процесс всасывания жидкости, клапан 9 закрыт, клапан 8 открывается при достижении давления жидкости в полости 3 ниже, чем давление всасывания в линии всасывания 12.
При ходе поршня 4 вверх (фиг. 2) из-за того, что образующие цилиндра 1 и поршня 4 наклонены под одинаковым углом α, зазор между поршнем 4 и цилиндром 1 увеличивается. В связи с этим газ из полости 2 под давлением сжатия-нагнетания вытесняет часть жидкости из зазора в полость 3, где жидкость находится под давлением всасывания, несмотря на то, что жидкость обладает высокой (по сравнению с газом) вязкостью, а давление сжатого газа относительно невелико.
Б. При ходе поршня 4 вниз (фиг. 3) в полости 2 происходит всасывание газа, клапан 7 закрыт, а клапан 6 открывается после того, как давление в полости 2 становится ниже давления в линии всасывания 10.
В полости 3 в это время происходит процесс сжатия-нагнетания жидкости, клапан 8 закрыт, а клапан 9 открывается при достижении давления в полости 3 выше, чем давление в линии нагнетания 13.
При ходе поршня 4 вниз зазор между ним и цилиндром 1 уменьшается, и в связи с этим жидкость из полости 3 протекает в зазор между поршнем 4 и цилиндром 1 в небольшом количестве, которого достаточно лишь для заполнения зазора.
2. Давление нагнетания газа намного выше, чем давление нагнетания жидкости (правая часть чертежей).
А. При ходе поршня 4 вверх (фиг. 2) в полости 2 происходит процесс сжатия-нагнетания газа. При этом клапан 6 закрыт, клапан 7 открывается, когда давление в полости 2 превышает давление в линии нагнетания 11.
В полости 3 происходит процесс всасывания жидкости, клапан 9 закрыт, клапан 8 открывается, когда давление в полости 3 станет ниже давления в линии всасывания жидкости 12.
Сжатый газ из полости 2 проникает в зазор между поршнем 4 и цилиндром 1. В связи с тем, что образующие поршня 4 и цилиндра 1 наклонены под одинаковым углом β, зазор между поршнем 4 и цилиндром 1 постоянно уменьшается, и сопротивление его растет, и газ, несмотря на его относительно высокое давление, не может полностью вытеснить жидкость из зазора в течение процесса его сжатия-нагнетания.
Б. При ходе поршня 4 вниз (фиг. 3) в полости 2 происходит процесс всасывания, клапан 7 закрыт, клапан 6 открывается, когда давление в полости 2 становится ниже, чем давление в линии всасывания 10.
В полости 3 происходит процесс нагнетания, клапан 8 закрыт, клапан 9 открывается, когда давление в полости 3 становится выше давления в линии нагнетания жидкости 13.
Жидкость из полости 3 под действием перепада давления проникает в зазор между поршнем 4 и цилиндром 1, и несмотря на сравнительно низкое давление жидкость в течение хода поршня 4 вверх успевает заполнить зазор между поршнем 4 и цилиндром 1, т.к. этот зазор постоянно увеличивается по ходу движения поршня 4 вниз.
Таким образом, описанный способ работы машины и ее конструкция, предусматривающая выполнение поршня и цилиндра в виде усеченных конусов с одинаковыми углами наклона между образующей конусов и осью цилиндра, позволяют организовать работу машины при постоянно присутствующей жидкости в зазоре между поршнем и цилиндром, которая выполняет функции охлаждения и гидрозатвора. При этом давления нагнетания газа и жидкости могут существенно отличаться друг от друга.
Работа машины, изображенной на фиг. 4 и фиг. 5, и также реализующей способ, позволяющий организовать гидрозатвор в зазоре между поршнем 4 и цилиндром 1 и охлаждение поршня 4 циркулирующей в зазоре жидкостью при давлении нагнетания газа, существенно большем, чем давление нагнетания жидкости, протекает следующим образом.
При возвратно-поступательном движении поршня 4 газ всасывается в полость 2 через линию всасывания 10 и клапан 6, сжимается в ней и нагнетается потребителю через клапан 7 и линию нагнетания 11.
Одновременно жидкость всасывается в полость 3 из линии всасывания 12 через клапан 8, сжимается в этой полости и через клапан 9 и линию нагнетания 13 поступает к потребителю.
В процессе сжатия-нагнетания жидкости в полости 3 (поршень 4 идет вниз) она поступает под действием перепада давления между полостью 3 и полостью 2, в которой идет процесс всасывания, также и в зазор между поршнем 4 и цилиндром 1, и в связи с тем, что ее давление невелико, а зазор достаточно мал (10-30 мкм), заполняет часть этого зазора по длине.
В процессе сжатия-нагнетания газа в полости 2 (в полости 3 в это время идет процесс всасывания при низком давлении) давление газа воздействует на мембрану 20, которая прогибается (вниз по чертежу) тем больше, чем больше давление в полости 2. Прогибаясь, мембрана 20 воздействует на установленный на ней конус 19, который через тела качения 18 и штыри 17 давит на сегменты 16. Под действием этого давления сегменты 16 растягивают упругое кольцо 15, которое увеличивается в диаметре, что приводит к уменьшению зазора между поршнем 4 и цилиндром 1 в зоне кольца 15. При этом общее гидравлическое сопротивление зазора между поршнем 4 и цилиндром 1 увеличивается, что приводит к существенному снижению расхода газа в зазор между поршнем 4 и цилиндром 1, газ не может выдавить всю жидкость, находящуюся в этом зазоре, и оставшуюся в нем после предыдущего хода поршня 4 вниз.
После окончания хода поршня 4 вверх и в начале его хода вниз давление в полости 2 падает до давления всасывания и мембрана 20 приходит в исходное состояние, т.е. снова становится практически плоской. При этом конус 19 поднимается вместе с мембраной 20 и перестает воздействовать (разжимать) на кольцо 15, которое под действием упругих сил возвращает себе прежний диаметральный размер, и зазор между поршнем 4 и цилиндром 1 снова становится равным разности между их радиусами.
Затем цикл работы повторяется.
Работа машины, изображенной на фиг. 6, и также реализующей способ, позволяющий организовать гидрозатвор в зазоре между поршнем 4 и цилиндром 1 и охлаждение поршня 4 циркулирующей в зазоре жидкостью при давлении нагнетания жидкости существенно большем, чем давление нагнетания газа, протекает следующим образом.
При возвратно-поступательном движении поршня 4 газ всасывается в полость 2, сжимается в ней и нагнетается потребителю газа, и в то же время жидкость всасывается в полость 3, сжимается в ней и нагнетается потребителю жидкости.
При ходе поршня 4 вниз в полости 3 происходит сжатие жидкости до относительно высокого давления, и она помимо того, что через клапан 9 поступает потребителю жидкости, проникает в зазор между поршнем 4 и цилиндром 1 под действием перепада давления между полостями 3 и 2, т.к. в это время в полости 2 давление низкое - идет процесс всасывания газа в эту полость.
В это же время давление жидкости в полости 3 через каналы 24 поступает в выточку 14, давит на сегменты 16, которые разжимают упругое кольцо 15, из-за чего наружная поверхность кольца 15 приближается к внутренней поверхности цилиндра 1, и зазор между поршнем 4 и цилиндром 1 уменьшается в зоне кольца 15. Это приводит к увеличению общего гидравлического сопротивления зазора между поршнем 4 и цилиндром 1, что не позволяет жидкости в значительном количестве, которое существенно загрязняет сжимаемый в полости 2 газ, попасть в эту полость.
При ходе поршня 4 вверх, давление жидкости в полости 3 и, соответственно, в соединенной с ней каналами 24 выточке 14, падает до давления всасывания, упругое кольцо 15 силами упругости отжимает сегменты 16 к оси поршня 4, и зазор между поршнем 4 и цилиндром 1 увеличивается до величины разности между радиусами поршня 4 и цилиндра 2. В связи с возникшим перепадом давления между полостью 2 (в ней происходит сжатие-нагнетание газа) и полостью 3, газ выдавливает часть жидкости из зазора между поршнем 4 и цилиндром 1 назад в полость 3.
Затем цикл работы повторяется.
Предложенные способ работы поршневой гибридной машины объемного действия и устройства для его осуществления дают возможность использовать в конструкциях этой машины сравнительно большие радиальные зазоры (например, для поршня диаметром 40 мм - 30-50 мкм) и небольшую длину (например, для того же поршня - около 60-80 мм), что снижает технологические сложности изготовления машины и позволяет организовать интенсивное омывание тела поршня сжимаемой жидкостью. При этом температура поршня существенно снижается, увеличивается количество теплоты, отводимой его днищем от сжимаемого газа, что повышает эффективность работы машины по сжатию газа.
Описанные выше конструкции также позволяют работать с газом и жидкостью, имеющими большую разность давлений нагнетания. При этом попадание сжимаемой жидкости в газ и наоборот минимальны или исключены полностью, что расширяет диапазон рабочих параметров машины.
Таким образом, следует считать, что техническая задача, поставленная перед изобретением, полностью выполнена.