СИЛЬФОН МАКСИМОВА
BELLOWS BY MAXIMOF

Изобретение относится к области автотранспортного двигателестроения, в котором не содержится каких-либо подвижных контактных уплотнений, каковыми являются, например, известные поршневые кольца, и т.п. Преимущественно изобретение относится к решению проблем реализации именно беспоршневого преобразования энергии расширяющихся газов в механическую энергию в соответствующих конструкциях тепловых и (или) пневматических двигателей, в специальных упругих элементах высокого давления, а также беспоршневого (безуплотнительного) нагнетания криогенных жидкостей в зоны их последующей газификации под высоким и сверхвысоким давлением.
Наиболее близким к заявленному устройству является сильфон, содержащий набор осесимметричных подвижных элементов, герметично соединенных между собой, известный из монографии Перспективы развития упругих чувствительных элементов», М., ЦИНТИ, 1961.
Известные сильфоны имеют малую прочность. Технической задачей, поставленной в предлагаемом изобретении, является конструктивное разделение в предлагаемом сильфоне традиционных упругих элементов, присущих всем известным сильфонам, на две функционально различные составляющие, а именно - на конструктивные составляющие, ответственные за обеспечение прежде всего механической прочности сильфонного устройства при его работе под высоким и сверхвысоким давлением, и на составляющие, которые ответствены в наибольшей мере за требуемую пластичность и подвижность конструкции в целом.
Эта задача достигается тем, что в сильфоне, содержащем набор осесимметричных подвижных элементов, герметично соединенных между собой, набор подвижных элементов выполнен в виде последовательно чередующихся двух пластинчатых элементов, один из которых выполнен в виде эластичной мембраны, а другой - жесткой недеформируемой пластины с центральными отверстиями в них, при этом с одной стороны эластичная мембрана своей центральной частью герметично закреплена вокруг отверстия в вышерасположенной жесткой пластине, а с другой стороны закреплена по периметру нижерасположенной пластины, при этом последующая мембрана закреплена в обратном порядке, с результирующим образованием подвижных элементов, при этом наружные размеры набора пластин ступенчато уменьшаются от максимального значения, например, в подвижной части сборки, и такая торцевая пластина закреплена на подвижной платформе всей сборки в целом, а наименьшая по размеру нижняя пластина закреплена на неподвижной платформе, снабженной отверстием для прохода рабочей среды внутрь сильфона, при этом на верхней подвижной платформе сильфона закреплен ступенчатый кондуктор для принудительного выдвижения в процессе рабочего удлинения всей сборки своими внутренними уступами каждой жесткой пластины и соответственно связанную с ней эластичную мембрану на конструктивно заданный предельно допустимый уровень их взаимной раздвижки.
Кроме того, силовой каркас эластичных мембран выполнен из металлотканей или металлизированных тканевых материалов из прочных волокон, а на мембраны нанесены аморфизированные металлические покрытия и/или аморфизированная фольга.
Кроме того, пластины, соприкасающиеся с рабочим газом внутри самого сильфона, оснащены зонами теплоаккумулирующих материалов, например слоем тончайших металлических нитей или зонами с носителями каталитических веществ.
Кроме того, герметизированный набор эластичных мембран и жестких пластин выполнен в виде устройства с закругленными торцами и снабжен отверстиями в нижней неподвижной платформе для прохода внутрь сильфона рабочего газа или рабочей жидкости.
Кроме того, на неподвижной платформе дополнительно установлен центральный ступенчатый кондуктор, ограничивающий предельно допустимый верхний уровень расположения диафрагм и содержащий зоны размещения материалов и/или веществ, например, для регенерации тепла или осуществления каталитических реакций.
Кроме того, набор эластичных мембран и жестких пластин выполнен поворотным, в котором неподвижные платформы закреплены на корпусе внешнего статора, а подвижные платформы закреплены на поворотном рабочем валу и оснащены внешними и внутренними поворотными ступенчатыми кондукторами, при этом внешний кондуктор проходит через выборки, выполненные в статоре.
Именно такое техническое решение по конструктивному ограничению предельной раздвижки каждого из подвижных базовых звеньев сильфона, т.е. ограничению раздвижки соответственно спаренных мембран и диафрагм, независимо от суммарной раздвижки всего сильфона, создает в итоге необходимые условия для реализации того расчетного рабочего ресурса, который требуется для конкретного функционального предназначения предлагаемого сильфона.
Особым отличительным признаком предлагаемой конструкции сильфона является возможное размещение в его внутреннем пространстве таких раннее известных материалов и (или) веществ, с помощью которых впервые открывается возможность осуществления при циклической работе сильфона функционально важных термодинамических и (или) термохимических процессов. Для этого те диафрагмы, которые соприкасаются с рабочим газом внутри самого сильфона (условно называемые активными диафрагмами), конструктивно оснащены зонами размещения известных теплоаккумулирующих материалов, например слоя тончайших металлических нитей или зонами с носителями каталитических веществ, применение которых соответственно позволяет осуществлять при циклической работе сильфона регенерацию тепла и (или) определенные каталитические реакции. С этой же целью в дополнение к подвижным активным диафрагмам возможно применение внутри сильфона неподвижных зон размещения вышеуказанных материалов и веществ в соответствующем устройстве, например неподвижных ступенчатых ограничителей предельно верхнего размещения диафрагм.
Сущность изобретения поясняется прилагаемыми чертежами, на которых представлено:
фиг.1 - принципиальное устройство базового мембранно-диафрагменного блока; фиг.2 - сильфон в сборе с внешним кондуктором в положении полного растяжения; на фиг.3 - сильфон в рабочем положении с частью раздвинутых диафрагм; на фиг.4 - сильфон в положении полного сжатия; на фиг.5 - фрагмент увеличенного изображения внутреннего устройства активной диафрагмы, на фиг.6 - сечение А-А фиг.5, на фиг.7 - фрагмент увеличенного изображения внешней зоны закрепления мембран; на фиг.8 - фрагмент увеличенного изображения сжатого состояния всех мембран и диафрагм; на фиг.9 - фрагмент увеличенного изображения мембраны, на фиг.10 - сильфон из набора кольцевых пластин с условно тороидальной геометрией; на фиг.11 - сильфон продолговатого типа с закругленными торцами; на фиг.12 - сильфон поворотного типа в положении полного сжатия; на фиг.13 - сильфон с внутренним ступенчатым ограничителем верхнего положения, на фиг.14 - сильфон поворотного типа в положении полного растяжения; на фиг.15 - сечение С-С фиг.14.
MAX
t
На приведенных чертежах изображено: 1 - верхняя диафрагма; 2 - эластичная мембрана в междиафрагменном пространстве; 3 - диафрагма с внутренним закреплением мембраны; 4 - диафрагма с внешним креплением мембраны; 5 - отверстие для прохода рабочего газа или рабочей жидкости; 6 - фрагмент увеличенного изображения внешней зоны закрепления мембран; 7 - газонепроницаемая прослойка; 8 - силовой каркас эластичной мембраны; 9 - фрагмент увеличенного изображения внутреннего устройства активной диафрагмы; 10 - фрагмент увеличенного изображения сечения по А-А; 11 - зона размещения теплоаккумулирующих материалов и (или) каталитических веществ; 12 - верхняя подвижная платформа; 13 - условно обозначенное приложение внешних сил; 14 - накладная шайба зоны периферийного закрепления мембран; 15 - зона герметизирующий пропайки или оплавления; 16 - нижняя неподвижная платформа; 17 - подвижный ступенчатый кондуктор; 18 - внутренняя ступень кондуктора; 19 - ограничитель предельного растяжения; 20 - условное изображение прохода рабочего газа или рабочей жидкости; 21 - фрагмент увеличенного изображения сжатого состояния всех мембран и диафрагм; 22 - внутренний разрезной ступенчатый кондуктор; 23 - сжатое положение поворотных диафрагм; 24 - элементы статора; 25 - внутренний поворотный кондуктор; 26 - поворотный блок; 27 - внешний ступенчатый кондуктор поворотного блока; 28 - канал подачи рабочего газа; 29 - внутренний ступенчатый ограничитель; 30 - подвижная платформа в верхнем положении; 31 - нижнее положение платформы 30; 32 - отверстия для прохода рабочего газа; 33 - диафрагма поворотного типа; 34 - мембрана поворотного типа в междиафрагменном положении; 35 - внешняя зона закрепления мембраны на диафрагме поворотного типа; α - угол циклических поворотов; L - максимальное раскрытие сильфона; L() - переменное во времени рабочее раскрытие сильфона.
Осуществление изобретения в соответствии с представленными чертежами поясняется следующим кратким описанием конструкции сильфона и его действия.
Основной базовый блок сильфона представляет собой пластинчатый набор, состоящий из недеформируемых диафрагм (начиная с верхней - 1) и эластичных мембран - 2, располагаемых в междиафрагменном пространстве. При этом мембраны герметично закреплены на диафрагмах так, что одни диафрагмы имеют внутреннее закрепление мембран 3, а другие - внешнее периферийное закрепление 4. Внутреннее закрепление мембран осуществляется вокруг центральных отверстий 5. Диафрагмы последовательно уменьшаются в своем наружном размере с соответствующим образованием характерных радиальных ступенек. Верхняя диафрагма 1 герметично закрепляется на подвижной платформе 12, а нижняя - на неподвижной платформе 16, оснащенной отверстием для прохода в дальнейшем рабочего газа или рабочей жидкости 20. На верхней подвижной платформе 12 закреплен внешний ступенчатый кондуктор 17, ступени 18 которого по характерному размеру соответствуют размерным ступеням подвижных диафрагм.
В исходном положении, когда под действием внешней силы 13 сильфон полностью сжат, кондуктор 17 находится в своем нижнем положении. При последующей подаче внутрь сильфона рабочего газа или жидкости 20 под давлением, достаточным для преодоления внешней силы 13 с соответствующим подъемом верхней платформы 12, ступенчатый кондуктор 17 (при одновременном его подъеме) своими ступенями 18 последовательно поднимает диафрагмы, начиная с верхних (как это изображено на фиг.3), и далее выполняет свое главное функциональное предназначение по принудительной раздвижке диафрагм вплоть до упора ограничителя 19 в неподвижную платформу 16, обеспечивая тем самым конструктивно заданную предельно допустимую раздвижку не только каждого подвижного звена, но и суммарную предельную раздвижку сильфона в целом, как это изображено на фиг.2.
С принципиальной точки зрения аналогичным образом устроены и действуют другие возможные варианты конструктивного исполнения сильфона, например, в виде набора кольцевых пластин, напоминающих в поперечном сечении своего рода тороидальную геометрию (фиг.10), или в виде набора не круговых мембран и диафрагм, а продолговатого типа с соответственно закругленными торцами (фиг.11), а также поворотного типа (фиг.12) и т.п.