Гибридная машина с тронковым поршнем
HYBRID MACHINE WITH TRUNK PISTON

Изобретение относится к области энергетических машин и касается гибридных поршневых машин объемного действия, используемых в качестве насосов-компрессоров, к которым предъявляются жесткие требования по массогабаритным характеристикам и экономичности.
Известна гибридная поршневая машина, содержащая цилиндр и поршень с образованием двух полостей, соединенных с источником жидкости и газа с помощью обратных самодействующих клапанов (см., например, патент РФ №118371, МПК F04B 19/06 от 20.07.2012 г.).
К недостатку этой и подобной ей конструкции относится их высокая материалоемкость и большие габариты вдоль оси цилиндра.
Известна также поршневая гибридная машина, содержащая цилиндр с газовой и жидкостной полостями, соединенными соответственно с источниками и потребителями газа и жидкости через обратные самодействующие клапаны, причем поршень выполнен тронковым и соединен с механизмом привода, а цилиндр имеет рубашку охлаждения, объем которой расположен между всасывающим и нагнетательным жидкостными клапанами (см. патент РФ №125635, МПК F04B 19/06 от 10.03.2013 г.). Данная конструкция является наиболее близкой по достигаемому положительному эффекту.
Недостатком известной конструкции является практически нецелесообразность сжатия жидкости до сравнительно высокого давления, т.к. сжатие кроме нижней части цилиндра происходит и в картере машины, который имеет относительно большую поверхность и, как минимум, три стыка с неподвижными уплотнениями, что при сжатии жидкости до высоких давлений (30-60 бар и более) требует выполнения стенок картера большой толщины и тщательной обработки плоскостей вплоть до их притирки по плоскости) под уплотнительные прокладки.
Все это вместе взятое повышает материалоемкость машины, усложняет технологию ее изготовления и сужает область применения известной конструкции.
Технической задачей изобретения является снижение материалоемкости гибридной машины с тронковым поршнем, снижение затрат на ее изготовление и расширение области ее применения.
Указанная задача решается тем, что в известной гибридной машине с тронковым поршнем, содержащей цилиндр с газовой и жидкостной полостями, соединенными соответственно с источниками и потребителями газа и жидкости через обратные самодействующие клапаны, причем поршень выполнен тронковым и соединен с механизмом привода, а цилиндр имеет рубашку охлаждения, объем которой расположен между всасывающим и нагнетательным жидкостными клапанами, согласно изобретению жидкостная полость образована с помощью ступеньки в нижней части цилиндра, а поршень снабжен ответной ступенькой в зоне своей юбки. При этом рубашка охлаждения может быть включена в объем жидкостной полости, всасывающий жидкостный клапан может быть расположен в зоне нагнетательного газового клапана, а нагнетательный - в нижней части рубашки охлаждения.
Суть изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 схематично показано продольное (вдоль оси цилиндра) сечение машины.
На фиг. 2 и фиг. 3 показаны положения органов машины в разные моменты времени придвижении поршня вверх и вниз.
Гибридная машина с тронковым поршнем (фиг. 1) содержит цилиндр 1 с газовой 2 и жидкостной 3 полостями, соединенными соответственно с источниками и потребителями газа и жидкости через обратные самодействующие клапаны 4 и 5 (всасывающий и нагнетательный газовые клапаны), 6 и 7 (всасывающий и нагнетательный жидкостные клапаны).
Поршень 8 выполнен тронковым и соединен пальцем 9 с механизмом привода, содержащим шатун 10, коленчатый вал 11 с кривошипом 12 и противовесом 13.
Цилиндр 1 имеет рубашку охлаждения 14, объем которой расположен между всасывающим 6 и нагнетательным 7 жидкостными клапанами.
Жидкостная полость 3 образована с помощью ступеньки 15 в нижней части цилиндра 1, а поршень снабжен ответной ступенькой 16 между своей головной частью 17 и юбкой 18.
В данной конструкции рубашка 14 включена в объем жидкостной полости 3, причем всасывающий жидкостный клапан 6 расположен в зоне нагнетательного газового клапана 5, а нагнетательный жидкостный клапан 7 - в нижней части рубашки охлаждения 14 с противоположной стороны.
Цилиндр 1 установлен на картере 19, который частично заполнен жидкой смазкой 20.
Гибридная машина работает следующим образом (фиг. 2 и фиг. 3).
При ходе сжатия-нагнетания (фиг. 2) поршень 8 движется вверх из нижней мертвой точки (НМТ) в верхнюю мертвую точку (ВМТ). При этом происходит уменьшение объема полостей 2 и 3 и сжатие жидкости в полости 3 и рубашке 14. Клапан 4 закрыт, и после того, как давление жидкости превысит давление потребителя (давление нагнетания), открывается клапан 7, и жидкость нагнетается через него в направлении потребителя. При этом также через клапан 7 в направлении потребителя жидкости происходит ее истечение из рубашки 14. Жидкость движется по рубашке 14 вдоль цилиндра 1 и нагревается, отнимая теплоту от стенок цилиндра 1, которую он получил от сжатого газа.
Одновременно происходит сжатие газа в полости 2 и после того, как его давление превысит давление потребителя газа (давление нагнетания), открывается клапан 5, и газ через него нагнетается к потребителю газа. Клапан 4 при ходе поршня 8 вверх закрыт.
В том случае, когда давление нагнетания жидкости превышает давления нагнетания газа (этот вариант наиболее часто встречается на практике, именно он изображен чертежах), при ходе поршня 8 вверх часть жидкости вытесняется в полость 2 через зазор между поршнем 8 (его головной частью 17) и цилиндром 1 и заполняет этот зазор, препятствуя утечкам газа из полости 2. Эта жидкость растекается по верхней торцовой поверхности поршня 8 и создает слой, который при приходе поршня в положение ВМТ заполняет мертвый объем цилиндра 1, вытесняя из него сжатый газ, что способствует увеличению коэффициента подачи машины по газу. Избытки жидкости эвакуируются через клапан 5.
На ходе всасывания (фиг. 3) поршень 8 идет вниз из ВМТ к НМТ, происходит увеличение полостей 2 и 3. При этом клапаны 5 и 7 закрыты, а клапаны 4 и 6 открываются в связи с возникновением в полостях 2 и 3 разрежения и через них происходит поступление соответственно газа в полость 2 и жидкости в полость 3 от источников газа и жидкости.
В полость 3 жидкость поступает через рубашку 14 и движется вдоль цилиндра 1 сверху вниз, отнимая от цилиндра 1 теплоту сжатия газа в полости 2. При этом наиболее холодная жидкость, еще не успевшая нагреться о стенки цилиндра 1, обтекает поверхность цилиндра 1 в зоне установки нагнетательного газового клапана 5, наиболее интенсивно отнимая теплоту от деталей в этой зоне. Это способствует хорошему охлаждению деталей клапана 5 (седло, запорный элемент, пружина и т.д.), что повышает работоспособность этого клапана и вместе с этим - всей машины, т.к. одними из наиболее быстро выходящих из строя элементов газовых машин объемного действия являются именно нагнетательные клапаны.
Потери давления в газовых клапанах существенно ниже, чем в жидкостных, и поэтому давление в полости 3 в процессе всасывания жидкости существенно ниже, чем давление всасывания в полости 2. В связи с этим остаток жидкости, помещавшийся в конце хода нагнетания газа в мертвом объеме полости 2 и представляющий собой некоторый слой жидкости на верхнем торце поршня, оказывается под действием перепада давления (со стороны полости 2 давление выше, со стороны полости 3 - ниже), и эта жидкость в процессе движения поршня 8 вниз стекает из полости 2 в полость 3 через зазор между цилиндром 1 и головной частью 17 поршня 8.
После прихода поршня 8 в положение НМТ цикл работы повторяется.
В предложенной конструкции давление жидкости не выходит за пределы цилиндропоршневой группы, в связи с чем нет необходимости делать прочными, а, соответственно, тяжелыми элементы картера машины, что позволяет снизить ее общую массу. Кроме того, отсутствие высокого давления жидкости (при высоком давлении потребителя) не предполагает значительных технологических затрат на исключение утечек через стыковочные узлы и сальники картера, что снижает затраты на изготовление машины. Возможность достигать средних и высоких (до 100 бар и выше) давлений нагнетаемой жидкости существенно расширяет область применения гибридной поршневой машины с тронковым поршнем.
В связи с изложенным следует считать, что техническая задача полностью выполнена.