ПОРШНЕВАЯ ГИБРИДНАЯ МАШИНА
PISTON HYBRID MACHINE

Изобретение относится к области энергетики, гидравлических и пневматических устройств и систем и может быть использовано при создании поршневых высокоэффективных машин для сжатия и перемещения газов и жидкостей, особенно в тех случаях, когда давление нагнетания жидкости относительно невелико (4-6 бар), а давление газа его значительно превосходит (например, 10-12 бар).
Известна поршневая гибридная машина, содержащая цилиндр и размещенный в нем с радиальным зазором поршень с образованием компрессорной и насосной полости (см. RU 125635 U1, 10.03.2013).
Известна также поршневая гибридная машина, содержащая цилиндр и размещенный в нем с радиальным зазором поршень с образованием компрессорной и насосной полости, причем на цилиндрической поверхности поршня имеется как минимум одна канавка, выполненная в виде углубления в теле поршня и разделяющая его поверхность вдоль цилиндрической образующей на две части (RU 118371 U1, 20.07. 2012).
Недостатком известных конструкций является их низкая экономичность при сжатии газов до высокого давления газа в одной ступени в связи с большими утечками и невозможность обеспечения приемлемой экономичности при работе на сравнительно больших зазорах в цилиндропоршневой группе (порядка 30-50 мкм), что затрудняет ее изготовление. При использовании малых (порядка 10-15 мкм) зазоров из-за неравномерности прогрева по длине поршня и цилиндра в процессе пуска работа машины находится под постоянной угрозой заклинивания поршня в цилиндре. Все это вместе взятое снижает экономичность работы и надежность машины в период пуска.
Технической задачей изобретения является повышение экономичности поршневой гибридной машины и обеспечение ее надежного бесконтактного пуска.
Указанная задача решается тем, что в известной поршневой гибридной машине, содержащей цилиндр и размещенный в нем с радиальным зазором поршень с образованием компрессорной и насосной полости, причем на цилиндрической поверхности поршня имеется канавка, выполненная в виде углубления в теле поршня и разделяющая его поверхность вдоль цилиндрической образующей на две части, согласно изобретению, боковые поверхности канавки расположены под острым углом к оси поршня и цилиндра в направлении к компрессорной полости, причем объем канавки определяется выражением:
где V - объем канавки, D - диаметр поршня, δ - радиальный зазор между поршнем и цилиндром, - средний перепад давления на поршне в процессе сжатия-нагнетания газа, L - длина цилиндрической части поршня, заключенная между нижним выступом канавки и нижним торцом поршня, µ - динамическая вязкость жидкости, τ - время, за которое поршень перемещается из нижней мертвой точки в верхнюю мертвую точку и наоборот,  - средняя скорость поршня, с которой он перемещается из нижней мертвой точки в верхнюю мертвую точку и наоборот.
Упомянутая канавка может быть соединена с насосной полостью каналом с дросселем и обратным самодействующим клапаном, направленным в сторону канавки, причем диаметр дросселя d определяется уравнением:
, где
где Q - объемный расход жидкости через радиальный зазор δ из насосной полости в канавку при ходе поршня из верхней мертвой точки в нижнюю мертвую точку, d - диаметр дросселя, ρ - плотность жидкости, α - коэффициент расхода жидкости через дроссель.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 упрощенно изображено продольное сечение цилиндропоршневой группы машины, а на фиг. 2 - фрагмент цилиндропоршневой пары в случае использования для подпитки канавки через дроссели и обратный клапан.
Поршневая гибридная машина (фиг. 1) содержит цилиндр 1 и размещенный в нем с радиальным зазором 2 поршень 3 со штоком 4 с образованием компрессорной 5 и насосной 6 полости, соединенные с источником и потребителем сжатого газа и жидкости всасывающими клапанами 7 и 8, линиями всасывания 9 и 10, нагнетательными клапанами 11 и 12 и линиями нагнетания 13 и 14. На цилиндрической поверхности поршня имеется канавка 15, выполненная в виде углубления в теле поршня 3 и разделяющая его поверхность вдоль цилиндрической образующей на две части 16 и 17, причем боковые поверхности канавки расположены под острым углом А и В к оси поршня 3 и цилиндра 1 в направлении к компрессорной полости 5, а часть 17 поршня 3 имеет длину L.
Канавка 15, разделяющая поверхность поршня 3 вдоль его цилиндрической поверхности на две части, может быть соединена с насосной полостью 6 каналом 18 с дросселем 19 и обратным самодействующим клапаном 20, направленным в сторону канавки 15 (фиг. 2).
Машина работает следующим образом.
При возвратно-поступательном движении поршня 3 газ всасывается через линию всасывания 9 и открывшийся клапан 7 в полость 5 (поршень 3 идет вниз), затем сжимается в этой полости при закрытых клапанах 7 и 11 и нагнетается потребителю через открывшийся клапан 11. Одновременно при ходе поршня 3 вверх происходит всасывание жидкости из линии всасывания 10 через открывшийся клапан 8 в полость 6, а при ходе поршня 3 вниз жидкость сжимается в этой полости и подается потребителю через открывшийся клапан 12 и линию нагнетания 14.
При ходе поршня 3 вниз, когда в полости 6 происходит сжатие и нагнетание жидкости, она под перепадом давления  между давлением нагнетания жидкости (процесс сжатия очень короткий в связи с малой сжимаемостью жидкости) и давлением всасывания газа в полости 5 проникает через зазор 2 в канавку 15 и постепенно заполняет ее полностью к моменту прихода поршня 3 в верхнюю мертвую точку. Следовательно, для гарантированного заполнения канавки 15 жидкостью должно выполняться условие: объемный расход жидкости через зазор 2 длиной L части 17 поверхности поршня должен быть равен объему V канавки 15.
Объемный расход жидкости Q через узкую щель с подвижной стенкой в сторону, противоположную движению стенки, на основании уравнения Навье-Стокса выражается зависимостью:
где В - ширина щели высотой δ, τ - время истечения, ν - скорость движения подвижной стенки, Δр - перепад давления на щели, l - длина щели, µ - динамическая вязкость жидкости. В данном случае ширина щели - это длина окружности поршня 3 с диаметром D, а l - длина L части 17 поршня 3.
Полагая давление в полости 5 во время всасывания газа близким к постоянному и считая близким к постоянному давление жидкости в полости 6 во время процесса сжатия-нагнетания, после несложных преобразований уравнение для определения объема V канавки 15 для ее гарантированно полного заполнения будет выглядеть следующим образом:
где  - средний перепад давления на поршне в процессе сжатия-нагнетания газа,  - средняя скорость поршня, с которой он перемещается из нижней мертвой точки в верхнюю мертвую точку и наоборот.
При ходе поршня 3 вверх газ в полости 6 сжимается и на поршне 3 появляется перепад давления между полостями 5 (большее давление) и 6 (меньшее давление). Под действием этого перепада давления жидкость из канавки 15 истекает назад в зазор 2 части 17 поверхности поршня и далее - назад в полость 6. Оставшаяся «пустой» канавка 15 в силу своей формы начинает выполнять роль завихрителя потока газа (она имеет форму половины пневмодиода), препятствующего его течению из полости 5 в зазор 2. Таким образом, на ходе сжатия-нагнетания газа в полости 6, на пути утечек большую часть времени процесса находится гидрозатвор и повышенное сопротивление течению газа в виде канавки 15.
В том случае, когда давление нагнетания в полости 6 по условиям работы потребителя жидкости слишком мало для того, чтобы жидкость могла заполнить зазор δ на длине L и заполнить канавку 15 (например, потребителем является система смазки разбрызгиванием), заполнение канавки 15 производится дополнительно через канал 18, дроссель 19 и клапан 20 при ходе поршня 3 вниз (фиг. 2). В этом случае суммарный объем жидкости, поступившей в канавку 15, рассчитывается как сумма расходов через щель с зазором δ и дроссель диаметром d.
d
Объемный расход жидкости через дроссель 19 Q производится по формуле, справедливой для течения жидкости через отверстие:
где d - диаметр дросселя, ρ - плотность жидкости, α - коэффициент расхода, принимается равным 0,6 для отверстий типа «простая диафрагма» и равным 0,7 для суживающихся отверстий с выходным отверстием диаметром d.
Тогда объемный расход жидкости, который должен пройти через дроссель 19, определяется как
d
Q=V-Q
где V - объем канавки, a Q - объемный расход через щель зазора 2.
После подстановки в это уравнение значений V и Q и решения его относительно d получается уравнение для определения диаметра дросселя:
где
Таким образом, в течение всего цикла работы машины в зазоре 2 между поршнем 3 и цилиндром 1 находится жидкость, которая создает эффективное уплотнение зазора 2, что позволяет увеличить этот зазор между поршнем 3 и стенками цилиндра 1 при сохранении высокой уплотняющей способности цилиндропоршневой пары.
В связи с этим большая температурная неравномерность, имеющая место при пуске машины, не приводит к критическому уменьшению зазора 2 и возникновению угрозы заклинивания поршня 3 в цилиндре 1.
Кроме того, постоянно циркулирующая в зазоре 2 жидкость хорошо охлаждает стенки полости 6, непосредственно окружающие сжимаемый газ, что приводит к повышению КПД газовой полости за счет отвода теплоты от газа в процессе сжатия, приближая этот процесс к изотермическому.
Указанные обстоятельства приводят к повышению экономичности поршневой гибридной машины и обеспечению ее надежного бесконтактного пуска.
В связи с изложенным следует признать, что поставленная техническая задача полностью выполнена.