Поршневая гибридная энергетическая машина со ступенчатым уплотнением
PISTON HYBRID ENERGY MACHINE WITH STEPPED SEAL

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 и более).
Известна поршневая гибридная энергетическая машина, содержащая цилиндр и размещенный в нем поршень с образованием компрессорной и насосной полости (см., например, патент РФ на ПМ №125635. Поршневой насос-компрессор, МПК F04B 19/06, заявка №2012140810/06 от 24.09.2012, опубл. 10.03.2013, Бюл. №7).
Известна поршневая гибридная энергетическая машина, содержащая цилиндр и размещенный в нем с радиальным зазором дифференциальный поршень с образованием компрессорной и насосной полости, причем компрессорная полость соединена с источником и потребителем сжатого газа через всасывающие и нагнетательные газовые клапаны, а жидкостная полость - с источником и потребителем жидкости через всасывающие и нагнетательные жидкостные клапаны (см. патент РФ на ПМ№118371 МПК F04B 19/06, заявка №2012107932/06 от 01.03.2012, опубл. 20.07. 2012, Бюл. №20).
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 радиальных зазорах в цилиндропоршневой группе (порядка 30-50 мкм), что затрудняет ее изготовление.
При использовании же малых (порядка 10-15 мкм) радиальных 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.
Задачей изобретения является повышение экономичности поршневой гибридной энергетической машины и обеспечение ее надежного бесконтактного пуска.
Указанная цель достигается тем, что в поршневой гибридной энергетической машине, содержащей цилиндр и размещенный в нем с радиальным зазором дифференциальный поршень с образованием верхней компрессорной и нижней насосной полости, причем компрессорная полость соединена с источником и потребителем сжатого газа через всасывающие и нагнетательные газовые клапаны, а жидкостная полость - с источником и потребителем жидкости через всасывающие и нагнетательные жидкостные клапаны, согласно изобретению, цилиндр в зоне насосной полости в нижней части цилиндра имеет ступенчатое расширение в виде выточки с образованием между нижней цилиндрической поверхностью поршня и поверхностью цилиндра радиального зазора большей величины, чем радиальный зазор между поршнем и цилиндром в зоне верхней компрессорной полости, и при этом соблюдаются следующие соотношения:
M
1
2
V=V-V,
M
M
P
где V - мертвый объем компрессорной полости, , где L - линейный мертвый объем компрессорной полости, d - диаметр поршня;
1
- V - объем жидкости, перетекшей из жидкостной полости в компрессорную в процессе сжатия и нагнетания жидкости;
2
- V - объем жидкости, перетекшей из компрессорной полости в жидкостную в процессе сжатия и нагнетания газа,
и при этом
1
WG
GB
G
GW
где  - средняя протяженность круговой щели с радиальным зазором δ, p - среднее давление жидкости в зоне ступенчатого расширения цилиндра на ходе сжатия жидкости, p - давление всасывания газа, p - среднее индикаторное давление газа в процессе его сжатия и нагнетания, p - среднее давление жидкости в зоне ступенчатого расширения цилиндра на ходе сжатия и нагнетания газа, μ - динамическая вязкость жидкости, ν - средняя скорость поршня, Т - время хода поршня из нижней мертвой точки (ВМТ) в верхнюю мертвую точку (НМТ) и наоборот.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 схематично показано продольное сечение машины в некоторый промежуточный момент времени.
На фиг. 2 показано сечение машины в процессе хода всасывания газа и сжатия-нагнетания жидкости.
На фиг. 3 показано сечение машины в момент окончания процессов всасывания газа и нагнетания жидкости.
На фиг. 4 показано сечение машины в момент нагнетания сжатого газа и всасывания жидкости.
На фиг. 5 показано сечение машины в момент окончания процессов нагнетания газа и нагнетания жидкости.
1
Поршневая гибридная энергетическая машина (фиг. 1) содержит цилиндр 1 и размещенный в нем с радиальным зазором δ в верхней части дифференциальный поршень 2 со штоком 3 с образованием верхней компрессорной 4 и нижней насосной 5 полости.
M
Компрессорная полость 4 имеет мертвый объем V и соединена с источником и потребителем сжатого газа соответственно через всасывающие 6 и нагнетательные 7 газовые клапаны, а жидкостная полость 5 - с источником и потребителем жидкости соответственно через всасывающие 8 и нагнетательные 9 жидкостные клапаны.
2
1
В зоне насосной полости 5 в нижней части цилиндра 1 имеется ступенчатое расширение в виде выточки 10 с образованием между нижней цилиндрической поверхностью поршня 2 и поверхностью цилиндра 1 радиального зазора δ большей величины, чем радиальный зазор δ между поршнем 2 и цилиндром 1 в зоне верхней компрессорной полости 4.
Машина содержит картер 11 (на чертеже показана только его верхняя часть) и контактное уплотнение 12, препятствующее утечкам жидкости из полости 5 в картер.
Остальные обозначения.
P
d - диаметр поршня 2.
ВМТ и НМТ - положение днища поршня 2 соответственно в верхней и нижней мертвой точке.
M
L - величина линейного мертвого объема.
L - расстояние от начала выточки 10 до ВМТ.
1
- длина уплотняющей части поршня 2 в зоне радиального зазора δ.
2
- длина уплотняющей части поршня 2 в зоне радиального зазора δ.
GW
1
2
p - давление в месте перехода уплотняющей части длиной l в уплотняющую часть длиной l (начало выточки 10) при течении жидкости из полости 4 в полость 5.
WG
1
2
p - давление в месте перехода уплотняющей части длиной l в уплотняющую часть длиной l (начало выточки 10) при течении жидкости из полости 5 в полость 4.
P
L - длина поршня 2.
S - полный ход поршня 2.
1
V - объем жидкости, поступивший в полость 4 при ходе поршня 2 вниз.
2
V - объем жидкости, поступивший в полость 5 при ходе поршня 2 вверх.
G
W
p - давление газа в полости 4, p - давление жидкости в полости 5.
WB
WH
p и p - соответственно давление всасывания и нагнетания жидкости.
GB
GH
p и p - соответственно давление всасывания и нагнетания газа.
Δ - слой жидкости над поршнем 2 в конце хода поршня 2 вниз (фиг. 3).
1
- минимальная длина уплотняющей части поршня 2 в зоне радиального зазора δ. при ходе поршня 2 вниз (фиг. 3).
1
- максимальная длина уплотняющей части поршня 2 в зоне радиального зазора δ. при ходе поршня 2 вверх (фиг. 5).
2
- максимальная длина уплотняющей части поршня 2 в зоне радиального зазора δ. при ходе поршня 2 вниз (фиг. 3).
2
- минимальная длина уплотняющей части поршня 2 в зоне радиального зазора δ. при ходе поршня 2 вверх (фиг. 5).
Машина работает следующим образом.
GB
При ходе поршня 2 вниз от ВМТ к НМТ (ход всасывания газа, сжатия и нагнетания жидкости, фиг. 2) в полости 4 образуется разрежение, под действием перепада давления клапан 7 закрывается, и открывается клапан 6, газ под давлением всасывания p поступает в полость 4. Движение газа показано стрелками.
WH
В это же время в полости 5 происходит сжатие жидкости и ее нагнетание потребителю под давлением нагнетания p через открытый перепадом давления клапан 9.
2
1
В связи с тем, что давление нагнетания жидкости больше, чем давление всасывания газа, жидкость из полости 5 через радиальный зазор δ и далее через радиальный зазор δ протекает в полость 4 (это движение жидкости показано стрелками) и образует над днищем поршня 2 слой жидкости.
При достижении НМТ (фиг. 3) все клапаны закрыты, и скорость поршня 2 становится равной нулю, в результате чего исчезает разрежение в полости 4 и прекращается нагнетание жидкости из полости 5.
При движении поршня 2 от ВМТ к НМТ и сопровождающих это движение перетечек жидкости через ступенчатый зазор между поршнем 2 и цилиндром 1, над днищем поршня 2 образуется слой жидкости, толщиной Δ.
GH
При ходе поршня 2 вверх от НМТ к ВМТ (ход сжатия и нагнетания газа, всасывания жидкости, фиг. 4), при достижении газом давления нагнетания p, открывается клапан 7, и газ из полости 4 истекает потребителю (движение газа показано стрелками).
WB
В это же время происходит увеличение объема полости 5, в связи с чем в ней образуется разрежение, и жидкость от источника под давлением всасывания p поступает через открытый клапан 8 в полость 5 (движение жидкости показано стрелками).
1
2
В связи с тем, что давление сжатия-нагнетания газа в полости 4 выше, чем давление всасывания жидкости в полости 5, жидкость сначала через радиальный зазор δ, а затем через радиальный зазор δ протекает из полости 4 в полость 5, при этом толщина слоя жидкости над днищем поршня 2 уменьшается.
При подходе к положению ВМТ скорость поршня 2 становится равной нулю, изменения давлений в полостях 4 и 5 не происходит, газовые и жидкостные клапаны закрываются (фиг. 5).
2
M
Разность между расходами жидкости из полости 4 в полость 5 и наоборот является таковой, что выполняется условие: , где Δ - уровень жидкости над поршнем в конце его хода вниз (см. фиг 3), V - объем жидкости, перетекшей из компрессорной полости в жидкостную в процессе сжатия и нагнетания газа, L - линейный мертвый объем компрессорной полости.
После полного перехода к объемам и после преобразования эта формула принимает вид
1
2
Уравнение для определения объемного расхода жидкости V через узкую круглую кольцевую щель диаметром d высотой δ с перепадом давления Δр=р-р и с одной подвижно стенкой длиной , движущейся со скоростью ν против движения жидкости, в течение промежутка времени Т, имеет общий вид
где μ - динамическая вязкость жидкости
M
1
2
В этом случае, при известной из конструктивных соображений и технологических возможностей изготовления машины величине мертвого объема V, для определения величин V и V, необходимых для выполнения условия (1), следует записать следующую систему уравнений:
1
где  - средняя длина зазора δ в процессе движения поршня 2 между мертвыми точками.
GW
WG
1
2
2
Величины p и p могут быть определены из решения уравнений баланса объемных расходов жидкости через зазоры δ и δ, аналогичных уравнениям системы (3), составленных для хода поршня 2 вверх и вниз. При этом определение расхода через зазор δ необходимо вести с использованием в качестве его средней длины .
1
2
Таким образом, в предложенной конструкции возможно использование сравнительно больших зазоров между поршнем 2 и цилиндром 1 (радиальный зазор δ - порядка 30-50 мкм и более, радиальный зазор δ - 100 мкм и более).
При этом обеспечивается не только гарантированный пуска машины без угрозы заклинивания поршня 2, но и стабильное омывание всех его наружных поверхностей, что стабилизирует и снижает температуру его тела и тела цилиндра. Последнее, в свою очередь, позволяет увеличить отводимую от газа теплоту в процессах его сжатия и нагнетания и снизить подводимую от стенок компрессорной полости подводимую теплоту в процессе всасывания. Это дает возможность приблизить процессы, происходящие в компрессорной полости 4, к изотермическим, что повышает КПД ее работы.
Кроме того, выполнение выше указанных соотношений позволяет создать над поршнем постоянно присутствующий слой жидкости, который выполняет функцию гидравлического затвора, препятствующего утечкам сжимаемого до высокого (по сравнению с давлением нагнетания жидкости) давления газа.
Выполнение условия (1) также дает возможность снизить практически до нуля фактический мертвый объем компрессорной полости 4, занятый газом, что также, как известно, повышает КПД компрессорной полости и позволяет сжимать газ до высоких давлений в одной ступени.
Таким образом, поставленная перед новой конструкцией машины задача полностью выполнена.