ПОРШНЕВАЯ ГИБРИДНАЯ МАШИНА ОБЪЕМНОГО ДЕЙСТВИЯ
PISTON HYBRID DISPLACEMENT MACHINE

Изобретение относится к области компрессоро- и насосостроения и может быть использовано при создании быстроходных и экономичных машин объемного действия, к которым предъявляются высокие требования по массогабаритным и экономическим показателям.
Известна поршневая гибридная машина объемного действия, содержащая цилиндр с размещенным в нем поршнем, соединенным с механизмом привода, причем над поршнем размещена компрессорная полость с всасывающим и нагнетательным клапанами, а подпоршневая полость выполнена в виде жидкостного насоса (см., например, патент РФ№118371, МКИ F04B 19/06 от 20.07.2012 г.).
Известна также поршневая гибридная машина объемного действия, содержащая цилиндр с размещенным в нем поршнем, соединенным с механизмом привода, причем над поршнем размещена компрессорная полость с всасывающим и нагнетательным клапанами, а подпоршневая полость выполнена в виде жидкостного насоса, соединенного линией всасывания с источником жидкости и линией нагнетания с потребителем жидкости (см., например, патент РФ №125635, МПК F04B 19/06 от 10.03.2013 г.).
-1
-1
Недостатком известных конструкций является их низкие массогабаритные характеристики (отношение производительности машины к ее массе) и, соответственно, высокая удельная стоимость произведенной продукции в виде сжатого газа и жидкости под давлением (стоимость одного кубометра газа и жидкости). Это связано с невозможностью организации частоты возвратно-поступательного движения поршня, характерной для экономичных поршневых компрессорных машин, из-за большого гидравлического сопротивления и плохой динамики жидкостных обратных самодействующих клапанов, которые реально не в состоянии обеспечить частоту движения поршня выше 500-700 мин, в то время как современные быстроходные компрессорные машины работают с частотой движения поршня до 1500 мин).
Все это вместе взятое снижает эффективность применения поршневых гибридных машин объемного действия.
Задачей изобретения является повышение эффективности применения поршневых гибридных машин объемного действия за счет снижения гидравлических потерь на линиях всасывания и нагнетания насосной полости, и обеспечение высокой частоты возвратно-поступательного движения поршня.
Указанная задача обеспечивается тем, что в известной поршневой гибридной машине объемного действия непосредственно прилежащие к жидкостному насосу участки линии нагнетания и всасывания выполнены в виде трубопроводов прямоугольного сечения, имеющих на противоположных гранях наклонные в сторону прямого потока жидкости, как минимум, одну пару пазов с установленными в них жесткой и гибкой пластинами, причем гибкая пластина имеет размер в сторону оси паза больший, чем жесткая, и установлена после жесткой пластины по ходу движения прямого потока жидкости, при этом выступающая в сторону оси трубопровода линии всасывания или линии нагнетания грань жесткой пластины, обращенная к гибкой пластине, может иметь скругленную кромку, и нагнетательная линия может быть соединена с насосной полостью плавным переходом поверхностей с увеличивающимся сечения в сторону от нагнетательной лини к насосной полости.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 упрощенно изображено продольное сечение машины с тронковым поршнем, на фиг. 2 - цилиндропоршневая группа машины с дифференциальным поршнем, на фиг. 3 - увеличенное поперечное сечение участка всасывающей линии, на фиг. 4 - вид этого сечения сбоку, на фиг. 5 - участок нагнетательной или всасывающей линии в момент прохождения прямого потока, когда линия не оказывает существенное гидравлическое сопротивление, на фиг. 6 - этот же участок линии при прохождении по нему обратного потока, когда линия оказывает большое сопротивление потоку.
Поршневая гибридная машина объемного действия содержит цилиндр 1 с размещенным в нем поршнем 2, соединенным с механизмом привода, состоящим из шатуна 3 с пальцем 4, кривошипа 5 и коленчатого вала 6. Над поршнем 2 размещена компрессорная полость 7 с всасывающим 8 и нагнетательным 9 клапаном, а подпоршневая полость 10, объединенная с картером 11, выполнена в виде жидкостного насоса, соединенного линией всасывания 12 с источником жидкости и линией нагнетания 13 с потребителем жидкости. Непосредственно прилежащие к жидкостному насосу участки линии нагнетания 13 и всасывания 14 (см. также фиг. 3 и 4) выполнены в виде трубопроводов прямоугольного сечения, имеющих на противоположных гранях наклонные в сторону прямого потока жидкости три пары пазов 15 с установленными в них жесткой 16 и гибкой 17 пластинами, причем гибкие пластины 17 имеют размер в сторону оси паза больший, чем жесткие 16, и установлены после жесткой пластины походу движения прямого потока жидкости, показанного стрелками. Поршень 2 имеет уплотнительные кольца 18, цилиндр 1 окружен жидкостной рубашкой 19, соединенной с картером 11 через отверстие 20. Нагнетательная линия 13 соединена с насосной полостью 10 через рубашку 19, отверстие 20 и картер 11 плавным переходом 21 поверхностей с увеличивающимся сечения в сторону от нагнетательной линии 13 к насосной полости 10.
В изображенной конструкции цилиндропоршневой группы машины на фиг. 2 поршень 2 размещен в цилиндре 1 с зазором 22, имеет отделительную канавку 23 с обратным клапаном 24, соединяющим канавку 23 через канал 25 с насосной полостью 10. Поршень 2 приводится в движение механизмом привода (на данном рисунке не показан) через шток 26 с уплотнением 27. Выступающая в сторону оси трубопровода линии нагнетания 13 или всасывания 12 грань жесткой пластины 16, обращенная к гибкой пластине 17, имеет скругленную кромку 28 (фиг. 4).
Машина работает следующим образом (фиг. 1). При вращении коленчатого вала 6 с кривошипом 5 поршень 2 совершает возвратно-поступательное движение, при котором изменяется объем компрессорной полости 7, что приводит к всасыванию газа через клапан 8, его сжатию и нагнетанию потребителю через клапан 9. При этом происходит также изменение суммарного объема насосной полости 10 и картера 11. При увеличении этого объема (поршень 2 идет вверх) жидкость всасывается через линию всасывания 12, т.к. пластины 16 и 17 наклонены вдоль потока и не оказывают жидкости значительного сопротивления (фиг. 5), а гибкая пластина 17 к тому же еще и отогнута потоком вдоль направления движения жидкости. При этом не происходит значительного вихреобразования и потерь энергии на трение жидкости.
В то же время в линии нагнетания 13 жидкость под действием перепада давления между потребителем, имеющим высокое давление, и полостью 10, в которой давление низкое, стремиться двигаться в направлении этой полости. Однако (фиг. 6) благодаря форме канала, по которому пытается двигаться жидкость, образуются мощные завихрения, вектор действия которых направлен против потока. К тому же сечение потока сильно сокращается из-за прогнувшихся под действием сил сопротивления потоку пластин 17. Образовавшиеся сильные завихрения потока не только тормозят его, но и отбирают энергию за счет сил трения. В связи с этим, линия нагнетания 13 в процессе всасывания оказывает обратному потоку большое сопротивление, и он становится очень малым по сравнению с потоком в линии всасывания 12. Благодаря этому, основной поток проходит через линию всасывания 12, заполняя полости 10 и 11 жидкостью от источника, т.е. осуществляется полноценный процесс всасывания.
При ходе поршня 2 вниз, когда суммарный объем полостей 10 и 11 уменьшается, происходят аналогичные вышеописанные явления, и основной поток проходит через линию нагнетания 13 в направлении потребителя жидкости. Благодаря наличию плавного перехода 21 в процессе нагнетания поток в линии нагнетания 13 быстро стабилизируется, и распределение скорости жидкости потока поперек сечения соответствует установившемуся течению, что необходимо для правильной работы установленных в линии 13 пластин 16 и 17. Скругленная кромка 28 жестких пластин 16 уменьшает контактные напряжения на пластинах 17, что способствует длительному ресурсу их работы без поломок.
В данной конструкции за счет движения жидкости по рубашке 19 происходит хорошее охлаждение стенок цилиндра 1, за счет чего отбирается теплота сжатия у газа, процесс сжатия приближается к изотермическому, что повышает КПД работы компрессорной полости.
Насосная полость 10 машины, изображенной на фиг. 2, работает аналогично вышеописанному. Здесь производится охлаждение не только стенок цилиндра 1, но и поверхности поршня 2 за счет того, что в процессе сжатия и нагнетания жидкости в полости 10, часть ее поднимается по зазору 22 между поршнем 2 и цилиндром 1, и накапливается в канавке 23, а в процессе сжатия газа в полости 5 и всасывания жидкости в полости 10, под действием перепада давления между этими полостями, передаваемого через зазор 22, жидкость из канавки 23 вытесняется в полость 10 через канал 25. Таким образом, происходит постоянная циркуляция охлаждающей жидкости в зазоре 22 и охлаждение стенок цилиндра 1 и поршня 2, что также, как и для конструкции, изображенной на фиг. 1, приводит к повышению КПД работы компрессорной полости 5.
В предложенной конструкции поршневой гибридной машины объемного действия на линии всасывания 12 и нагнетания 13 нет самодействующих жидкостных клапанов, обладающих большой инерционностью и большим гидравлическим сопротивлением, в связи с чем появляется возможность приблизить частоту возвратно-поступательного движения поршня 2 к оптимальной частоте быстроходных современных компрессоров, что позволяет существенно улучшить массогабаритные показатели машины (уменьшить массу машины, приходящуюся на единицу производительности как компрессорной полости 5, так и насосной полости 10), что повышает эффективность применения поршневых гибридных машин объемного действия.