Клапанный механизм объемной машины (варианты)
VALVE MECHANISM OF POSITIVE DISPLACEMENT MACHINE (VARIANTS)

Изобретение относится к области машиностроения, системам распределения газов, жидкостей разнообразного назначения, в частности к клапанам объемных машин и может использоваться в секторе двигателей внутреннего и внешнего сгорания, пневмодвигателях, паровых машинах, детандерах, арматуре сосудов высокого или низкого давления.
Наиболее близким техническим решением по технической сущности и достигаемому техническому результату, выбранным в качестве прототипа к заявляемому механизму, является клапан газораспределительного механизма (патент на изобретение RU 2390638).
Недостатком прототипа является перерасход энергии затрачиваемой на управление механизмом газораспределения паровой машины.
Задачей заявленного изобретения является сокращение энергии, расходуемой на управление клапанами объемных машин.
Поставленная задача достигается тем, что в клапанном механизме объемной машины, содержащем впускные и выпускные клапаны тарельчатого типа со стержнем, согласно изобретению, каждый впускной и выпускной клапан включает подъемный и обратный клапаны, стержни которых соединены уравновешивающим коромыслом через ось, закрепленную на корпусе объемной машины.
В клапанном механизме объемной машины, содержащем впускные и выпускные клапаны тарельчатого типа со стержнем, согласно изобретению, каждый впускной и выпускной клапан включает подъемный и обратный клапаны, снабженные камерами, закрепленными на корпусе объемной машины, которые объединены в замкнутую гидравлическую систему, а их стержни выполнены в виде поршней, вставленных в камеры.
В клапанном механизме объемной машины, содержащем впускные и выпускные клапаны тарельчатого типа со стержнем, согласно изобретению, каждый впускной и выпускной клапан содержит камеру с замкнутой гидравлической системой, закрепленной на корпусе объемной машины, а также соосно расположенные наружный пустотелый обратный и внутренний подъемный клапаны, стержни которых выполнены в виде поршней, вставленных в камеру.
Клапанный механизм объемной машины, содержащий впускные и выпускные клапаны тарельчатого типа со стержнем, согласно изобретению, каждый впускной и выпускной клапан включает соосно расположенные наружный пустотелый обратный и внутренний подъемный клапаны, стержни которых снабжены механическим узлом уравновешивания клапанов.
Заявленное техническое решение клапанного механизма представлено:
на фиг. 1 - клапанный механизм, уравновешенный коромыслом (вариант 1);
на фиг. 2 - клапанный механизм, уравновешенный камерами с замкнутой гидросистемой (вариант 2);
на фиг. 3 - соосный клапанный механизм в открытом положении (вариант 3);
на фиг. 4 - соосный клапанный механизм с подпружиненным штоком (вариант 3);
на фиг. 5 - соосный клапанный механизм с механическим узлом уравновешивания (вариант 4).
Клапанный механизм объемной машины (вариант 1), содержащий впускные и выпускные клапаны тарельчатого типа со стержнем, в котором каждый впускной и выпускной клапан включает подъемный 2 и обратный 3 клапаны, стержни которых соединены уравновешивающим коромыслом 4 через ось 5, закрепленную на корпусе объемной машины 1, возвратных пружин 6, уплотнительных 7 и управляющих 8 элементов.
Клапанный механизм объемной машины (вариант 2), содержащий впускные и выпускные клапаны тарельчатого типа со стержнем, в котором каждый впускной и выпускной клапан включает подъемный 2 и обратный 3 клапаны, снабженные камерами 9, 10, закрепленными на корпусе объемной машины 1, которые объединены в замкнутую гидравлическую систему, а их стержни выполнены в виде поршней 11, 12, вставленных в камеры 9 и 10.
Клапанный механизм объемной машины (вариант 3), содержащий впускные и выпускные клапаны тарельчатого типа со стержнем, в котором каждый впускной и выпускной клапан содержит камеру 13 с замкнутой гидравлической системой, закрепленной на корпусе объемной машины 1, а также обратный клапан 3 выполненный пустотелым, в который соосно вставлен подъемный клапан 2, стержни которых выполнены в виде поршней 11, 12, вставленных в камеру 13.
Клапанный механизм объемной машины (вариант 4), содержащий впускные и выпускные клапаны тарельчатого типа со стержнем, в котором каждый впускной и выпускной клапан включает обратный клапан 3 выполненный пустотелым, в который соосно вставлен подъемный клапан 2, стержни которых снабжены механическим узлом уравновешивания клапанов 14.
Все варианты клапанных механизмов имеют возвратные пружины 6, уплотнительные элементы 7 и управляющие элементы 8.
Клапанный механизм (вариант 1) работает следующим образом. Давление рабочего тела во впускном канале паровой машине действует на тарелки подъемного 2 и обратного 3 клапанов, которое через стержни клапанов передается на уравновешивающее коромысло 4 с осью 5 закрепленной на головке цилиндра 1, относящейся к корпусу объемной машины. Уравновешивающее коромысло 4 обеспечивает разнонаправленность движения клапанов. Площади тарелок подъемного 2 и обратного 3 клапанов равны или тарелка подъемного 2 имеет чуть большую площадь для направления суммарного давления на закрытие клапанного механизма. Пружина 6 обеспечивает закрытие клапанного механизма из открытого положения, т.к. в этом положении давление рабочего тела действует на все стороны тарелок, в связи с чем они свободны от воздействия рабочего тела. Уплотнительные элементы 7 на подъемных 2 и обратных 3 клапанах обеспечивают герметизацию впускных каналов головки цилиндра 1. Управляющий элемент 8 (или другие элементы управляющих органов, показан кулачок) регулирует момент, время и глубину открытия обратного клапана 3 клапанного механизма. Соответственно, одновременно подъемный клапан 2 открывается коромыслом 4 на заданную плечами коромысла 4 высоту. Представленный клапанный механизм не требует больших затрат энергии на свое открытие-закрытие.
В клапанном механизме (вариант 2), в отличие от варианта 1, роль уравновешивающего коромысла 4 выполняют камеры 9 и 10, в которых замкнутая гидравлическая система, действуя на поршни 11, 12 стержней подъемного 2 и обратного 3 клапанов удерживает их в состоянии близком к уравновешенности, перенося через камеры 9 и 10 давление рабочего тела на головку цилиндра 1. Управляющий кулачок 8, передвигая стержень обратного клапана 3, выполненного для этой цели в виде штока над поршнем 12 выступающего из камеры 10 (или другие элементы управляющих органов), регулирует момент, время и глубину открытия обратного клапана 3 клапанного механизма. Одновременно подъемный клапан 2 открывается гидравлической несжимаемой жидкостью на заданную площадями поршней 11 и 12 высоту. Замкнутость данной гидравлической системы, объединяющих камеры 9 и 10, позволяет удерживать подъемный 2 и обратный 3 клапаны на необходимом уровне от головки цилиндра 1, за счет нерастяжимости гидравлической жидкости. Часть уплотнительных элементов 7 обеспечивают герметичность замкнутой гидравлической системы. Представленный клапанный механизм не требует больших затрат энергии на свое открытие-закрытие.
Клапанный механизм (вариант 3) работает аналогично варианту 2, только для компактности клапанного механизма обратный клапан 3 выполнен пустотелым, в который соосно вставлен подъемный клапан 2, они имеют общую камеру 13, в которой поршни 11 и 12 взаимно влияя друг на друга при перемещении, обеспечивают открытие или закрытие клапанного механизма. В связи с близким к уравновешенности положением клапанов 3 и 2, для открытия клапанного механизма требуется небольшое усилие, позволяющее применить для этой цели поршень паровой машины, электромагнит с сердечником или другие известные устройства газораспределительных механизмов. В нашем примере применим подпружиненный пружиной 15 шток 16, выступающий из подъемного клапана 2. Для эффективной работы паровой машины требуется открытие клапанного механизма при подходе поршня паровой машины к верхней мертвой точке (ВМТ), а закрытие клапанного механизма в секторе отсечки рабочего тела 25-30% объема цилиндра. Пружина 15 штока 16 подбирается т.о., чтобы ее сила, передаваемая через шток 16 на клапан 2, только при подходе поршня к ВМТ преодолела силу пружины 6 и силу от разницы давления рабочего тела на тарелки клапанов 3 и 2, обеспечивая в этот момент открытие клапанного механизма. Клапанный механизм закроется в тот момент, когда усилие пружины 16 станет слабее пружины 6, потому что при открытом положении клапанного механизма давление рабочего тела со всех сторон давит на площади тарелок клапанов 3 и 2, что позволяет нам, регулируя соотношение сил пружин 6 и 15, управлять моментом закрытия клапанного механизма в зависимости от величины перемещения штока 16, обеспечивая необходимый объем заполнения цилиндра рабочим телом. Представленный клапанный механизм не требует больших затрат энергии на свое открытие-закрытие.
В клапанном механизме (вариант 4) в отличие от варианта 3, камера с гидравлической системой заменена механическим узлом уравновешивания клапанов 14, в котором шестерня, смонтированная на оси закрепленной на головке цилиндра 1, обеспечивает разнонаправленность хода клапанов 3 и 2 имеющих на стержнях ответные зубья. Кулачок 8 управляет открытием обратного клапана 3, соответственно, и всего клапанного механизма, а пружина 6 и разница от давления рабочего тела на площади тарелок клапанов 3 и 2, в которых площадь тарелки клапана 2 чуть больше площади кольцевой тарелки клапана 3, закрывают клапанный механизм. Представленный клапанный механизм не требует больших затрат энергии на свое открытие-закрытие.
Представленный клапанный механизм может иметь количество внутренних и внешних клапанов более одного или количество кольцевых тарелок клапанов более одной, что увеличивает проходное сечение клапанного механизма, позволяя уменьшить его габариты по сравнению с прототипом, соответственно уменьшить вес и инерционность клапанного механизма, при этом открытие одного из подъемных или обратных клапанов приводит к устранению перепада давлений на тарелках и кольцевых тарелках всех клапанов, что в совокупности с малым весом и уравновешенностью или заданным соотношением площадей тарелок клапанов позволяют уменьшить силы, требуемые для управления клапанным механизмом и как показано в примере, отказаться от классического газораспределительного механизма, что упрощает паровую машину и повышает ее ресурс и эффективность. Возможно конструктивное изменение направленности открытия и закрытия подъемных и обратных клапанов клапанного механизма, выбираемое по мерам целесообразности для разных типов объемных машин.
Заявляемые технические решения позволяют: - сократить энергию, требуемую на управление механизмом газораспределения паровой машины или двигателя внутреннего сгорания.
Применение данного клапанного механизма в машиностроении повышает эффективность работы устройств, оборудования, запорной арматуры пневматических и гидравлических систем. Заявляемые конструкции клапанных механизмов, за счет легкости открытия-закрытия позволяют оснастить их электромагнитами, управлять которыми сможет бортовой компьютер, значительно повышая эффективность работы механизмов и машин.