РОТАТИВНЫЙ ДЕТАНДЕР
ROTARY EXPANSION ENGINE

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к поршневым ротативным машинам для преобразования потенциальной энергии сжатого газа в механическую энергию, и может быть использовано в качестве пневмодвигателя или ступени расширения газа вместо динамической турбины в составе газотурбинных установок.
Из уровня техники известен детандер, включающий кольцевой блок цилиндров, размещенные в цилиндрах поршни, механизм, обеспечивающий взаимное возвратно-поступательное движение поршней и цилиндров, и клапанное устройство, обеспечивающее подачу и отвод газа из полостей, образованных между цилиндрами и поршнями (см. патент GB 1062063, кл. F01B 13/06, опубл. 15.03.1967). Недостатками известного устройства являются низкий механический КПД из-за возникающих больших потерь на трение в парах поршень/цилиндр.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в повышении эффективности работы детандера за счет уменьшения потерь на трение в парах поршень/цилиндр и увеличения тем самым его механического КПД. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в ротативном детандере, включающем кольцевой блок цилиндров, размещенные в цилиндрах поршни, механизм, обеспечивающий взаимное возвратно-поступательное движение поршней и цилиндров, и клапанное устройство, обеспечивающее подачу и отвод газа из полостей, образованных между цилиндрами и поршнями, поршни и цилиндры выполнены в виде полых стаканов, имеющих дно и обечайку, поршни помещены своими открытыми торцами внутрь цилиндров с гарантированным зазором между обечайками поршней и цилиндров, причем указанные зазоры и частично указанные полости заполнены жидкостью, компенсирующей за счет разницы статических давлений столбов жидкости в полостях и в зазорах, возникающей при вращении блока цилиндров, разницу давления газа внутри поршней и давления, воздействующего на поверхность жидкости в зазорах. В качестве жидкости используют воду, или растворы, или расплавы веществ. Детандер снабжен насосом для постоянного или периодического добавления и обновления жидкости.
3
В качестве жидкости применена вода или растворы солей с повышенной плотностью и высокой температурой кипения, например растворы бромида кальция, бромида цинка, хлорида цинка или их смеси с плотностью до 2200 кг/м и температурой кипения до +180°С. Кроме того, может быть применен расплав вещества, стойкого к окислению и деструкции при высоких температурах, например расплавленное стекло или соль.
На чертеже представлен один из вариантов исполнения предлагаемого ротативного детандера.
Детандер состоит из вращающегося вокруг неподвижной оси 1 кольцевого блока цилиндров 2, размещенных в цилиндрах 2 поршней 3, выполненных в виде полых стаканов, имеющих дно и обечайку и направленных своими открытыми торцами внутрь цилиндров 2. Между обечайками поршней 3 и цилиндров 2 оставлен гарантированный зазор 4. Зазоры 4, частично цилиндры 2 и поршни 3 заполнены жидкостью 5, которая при вращении блока цилиндров 2 центробежными силами прижимается к донышкам цилиндров 2. На оси неподвижного кривошипа 6 с эксцентриситетом относительно оси вращения блока цилиндров 2 установлен с возможностью вращения диск 7 с шатунами 8, которые шарнирно соединены с ползунами крейцкопфа 9. Ползуны крейцкопфа 9 соединены с поршнями 3 и установлены в блоке цилиндров 2 с возможностью возвратно-поступательного движения в подшипниках качения 10. Блок цилиндров 2 имеет окна 11, связывающие внутреннее пространство блока цилиндров с атмосферой. Каждый из цилиндров 2 имеет канал 12 для подвода сжатого газа с впускным клапаном 13. Каждый из поршней 3 снабжен выпускным клапаном 14. Между свободной поверхностью жидкости 5 в поршнях 3 и внутренними поверхностями поршней 3 образованы полости 15, которые при возвратно-поступательном движении поршней 3 в цилиндрах 2 циклически изменяют свой объем. Для восполнения объема жидкости 5, неизбежно уменьшающейся за счет испарения и уноса с потоком расширяющегося газа, предусмотрен насос, постоянно подкачивающий жидкость 5 в цилиндр 2 (на чертеже не показан).
Детандер работает следующим образом.
В положении «А», когда объем полости 15 минимален, открывается впускной клапан 13 и сжатый газ из канала 12 поступает в полость 15. Сжатый газ с усилием воздействует на поршень 3, это усилие через шатуны 8 и крейцкопф 9 трансформируется во вращающий момент, приложенный к блоку цилиндров 2, заставляя последний вращаться по часовой стрелке. При повороте блока цилиндров 2 из положения «А» через положение «Б» в положение «В» через определенный угол поворота впускной клапан 13 закрывается и сжатый газ в увеличивающейся в объеме полости 15 расширяется до атмосферного давления, преобразуя свою потенциальную энергию сжатия в механическую энергию вращения блока цилиндров 2. Далее открывается выпускной клапан 14, полость 15 соединяется с атмосферой, и, при повороте блока цилиндров 2 из положения «В» через положение «Г» в положение «А», отработанный газ из уменьшающейся в объеме полости 15 вытесняется в атмосферу. В положении «А» открывается впускной клапан 13, закрывается выпускной клапан 14 и цикл работы детандера повторяется.
При любом положении блока цилиндров 2 и при любой разнице давлений газа в полостях 15 и атмосферного давления эта разница давлений автоматически компенсируется разницей статического давления жидкости 5, находящейся в полости 15 и в зазоре 4, обусловленной разницей высот «Н» столбов жидкости 5, находящихся в поле действия центробежных сил. При работе детандера неизбежно происходит испарение и унос с потоком расширяющегося газа жидкости 5, поэтому подкачивающий насос (на чертеже не показан) постоянно или периодически добавляет новую жидкость 5 в цилиндр 2. При этом высота цилиндра 2 от донышка до открытого торца выбрана с таким расчетом, чтобы при каждом цикле впуска сжатого газа в цилиндр 2 излишки жидкости 5 из зазора 4 переливались через открытый торец цилиндра 2, после чего эти излишки жидкости 5 удаляются. Таким образом, автоматически поддерживается конструктивно заложенный уровень жидкости 5 в цилиндрах 2, соответствующий давлению применяемого сжатого газа.
3
Максимальное давление газа, на котором может работать детандер, пропорционально величине центростремительного ускорения, разности высот жидкости 5 в поршнях 3 и зазорах 4 и плотности жидкости 5, а при расширении сжатый газ охлаждается, поэтому, при работе на ненагретом сжатом газе, в качестве жидкости 5 целесообразно применять жидкости с повышенной плотностью и низкой температурой плавления, например растворы бромида кальция, бромида цинка, хлорида цинка, или их смеси с плотностью до 2200 кг/м и температурой плавления до -60°С. При работе детандера на нагретом до высокой температуры сжатом газе, например, при применении детандера в качестве ступени расширения газа вместо динамической турбины в составе газотурбинных установок, в качестве жидкости 5 целесообразно применять расплав какого-либо вещества, стойкого к окислению и деструкции при высоких температурах, например расплавленное стекло или соль.
В предлагаемой конструкции детандера отсутствует трение скольжения между поршнями и цилиндрами, что повышает механический КПД его работы.