ПОРШНЕВАЯ РАСШИРИТЕЛЬНАЯ МАШИНА
PISTON EXPANSION MACHINE

Изобретение относится к области машиностроения - машинам объемного действия, в частности поршневым расширительным машинам, и может быть использовано в качестве пневматического или газового двигателя, в горнодобывающей, химической и нефтехимической промышленности для силового привода машин и механизмов.
Известны конструкции поршневых расширительных машин поршневого пневмодвигателя (Патент RU №2097576, МКИ F01L 9/02, 25/00, F01B 25/02, опубл. 27.11.97 г., Свидетельство на полезную модель 10423, МКИ FOIL 9/02, 25/00, опубл. 16.07.1999 г.) и поршневого детандера (Свидетельство на полезную модель 11312, МКИ F25B 1/02, опубл. 16.09.1999 г.) с прямоточной системой газораспределения, включающей в себя нормально открытые самодействующие впускные клапаны и выхлопные окна в стенках цилиндров для выхлопа отработанного газа.
Недостатками таких расширительных машин является невысокая эффективность, особенно при работе на повышенных давлениях газа на впуске, обусловленная неполным расширением и выхлопом незначительного количества отработанного газа в область пониженного давления при прямом ходе поршня и сжатием достаточно большого количества газа, оставшегося в расширительном цилиндре при обратном ходе поршня.
Указанный недостаток частично устранен в известной поршневой расширительной машине (Патент на изобретение RU №2151302, МКИ F01B 25/02, F01L 9/02, F03C 1/08, опубл. 20.06.2000 г.), содержащей непрямоточную систему газораспределения, включающей в себя нормально открытые самодействующие впускные и выпускные клапаны для выпуска отработанного газа.
Недостатком такой расширительной машины является ограниченный диапазон устойчивой работы, обусловленный малой длительностью процесса выхлопа через открытый выпускной клапан и сжатием достаточно большого количества газа, оставшегося в расширительном цилиндре при обратном ходе поршня.
Техническим результатом настоящего изобретения является устранение указанного недостатка и получение более высокой эффективности и мощности расширительной машины за счет более полного расширения газа высокого давления с использованием последовательного ступенчатого расширения в нескольких расширительных цилиндрах.
Указанный технический результат достигается тем, что в поршневой расширительной машине, включающей в себя размещенные в одном корпусе расширительные цилиндры с непрямоточными системами газораспределения, снабженные впускными штуцерами, соединенные с магистралью высокого давления, выпускными штуцерами, нормально открытыми впускными и выпускными клапанами, согласно заявляемому изобретению расширительные цилиндры с непрямоточными системами газораспределения выпускными штуцерами присоединены трубопроводами к общему распределительному устройству и впускным штуцерам расширительных цилиндров с прямоточными системами газораспределения, содержащими впускные штуцеры, нормально открытые впускные клапаны, выхлопные окна в стенках расширительных цилиндров в конце хода поршня, соединенные с магистралью низкого давления.
ц1
ц2
вд
нд
<mrow><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><msub><mi>F</mi><mrow><mi>ц</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow></mstyle><mo>=</mo><msqrt><mrow><msub><mi>р</mi><mrow><mi>в</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>/</mo><msub><mi>р</mi><mrow><mi>н</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow></msqrt><mo>⋅</mo><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><msub><mi>F</mi><mrow><mi>ц</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow></mstyle></mrow>
Суммарные площади поперечных сечений расширительных цилиндров с непрямоточными системами газораспределения F и с прямоточными системами газораспределения F связаны зависимостью
, р, р - давление в магистралях высокого и низкого давления соответственно.
Распределительное устройство может быть выполнено в виде коллектора, либо ресивера.
В ресивере могут быть размещены тепловыделяющие устройства. Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг.1, фиг.2 и фиг.3), где показаны поперечные разрезы поршневой расширительной машины: фиг.1 - поперечный разрез поршневой расширительной машины с угловым расположением расширительных цилиндров и общим коллектором; фиг.2 - поперечный разрез поршневой расширительной машины с угловым Ш-образным расположением расширительных цилиндров и общим коллектором; фиг.3 - поперечный разрез поршневой расширительной машины с угловым расположением расширительных цилиндров и ресивером, с размещенными в нем тепловыделяющими устройствами.
Поршневая расширительная машина содержит корпус (картер) 1, расширительные цилиндры 2 с непрямоточными системами газораспределения, расширительные цилиндры 3 с прямоточными системами газораспределения, поршни 4, 5, связанные с коленчатым валом 6 кривошипно-шатунными группами 7. В крышках расширительных цилиндров 2 с непрямоточными системами газораспределения располагаются нормально открытые впускные 8 и выпускные 9 клапаны, впускные 10 и выпускные 11 штуцеры. К крышкам 12 расширительных цилиндров 3 с прямоточными системами газораспределения подведены впускные штуцеры 13 и в крышках 12 размещены нормально открытые впускные клапаны 14. В стенках расширительных цилиндров 3 с прямоточными системами газораспределения в конце хода поршней 5 выполнены выхлопные окна 15. Выпускные штуцеры 11 расширительных цилиндров 2 с непрямоточными системами газораспределения и впускные штуцеры 13 расширительных цилиндров 3 с прямоточными системами газораспределения соединены трубопроводами 16 с общим коллектором 17 или ресивером 18 с тепловыделяющими устройствами 19, либо без них.
Поршневая расширительная машина работает следующим образом. Газ (воздух) с магистрали высокого давления по впускному штуцеру 10 через нормально открытые впускные клапаны 8 поступает в расширительные цилиндры 2 с непрямоточными системами газораспределения. Впускные клапаны 14 расширительных цилиндров 3 с прямоточными системами газораспределения находятся в закрытом состоянии под действием разности давлений газа в крышках 12 и расширительных цилиндрах 3. Поршни 4 под действием давления газа совершают движение от верхней мертвой точки (ВМТ) в направлении нижней мертвой точки (НМТ), перемещая при этом шатунно-поршневыми группами 7 поршни 5 в направлении ВМТ расширительных цилиндров 3 с прямоточными системами газораспределения. Впускные клапаны 14 расширительных цилиндров 3 с прямоточными системами газораспределения при этом находятся в закрытых состояниях под действием разностей давления в крышках 12 и расширительных цилиндрах 3. В середине ходов поршней 4 под действием разностей давлений газа на впуске и в расширительных цилиндрах 2 закрываются нормально открытые впускные клапаны 8. Поршни 5 расширительных цилиндров 3 с прямоточными системами газораспределения подходят к ВМТ, и впускные клапаны 13 расширительных цилиндров открываются за счет разностей давлений газа в расширительных цилиндрах 3 и в коллекторе 17 или ресивере 18. Газ из коллектора 17 или ресивера 18 поступает через крышки 12 и открытые впускные клапаны 13 в расширительные цилиндры 3 с прямоточными системами газораспределения. Газ, поступивший в цилиндры 3 через открытые впускные клапаны 13, расширяется, перемещает поршни 5 в расширительных цилиндрах 3 с совершением внешней работы, открывает выхлопные окна 15 в нижних частях расширительных цилиндров 3. Открытые поршнями 5 выхлопные окна 15 способствуют освобождению расширительных цилиндров 3 от отработанного газа в магистраль низкого давления. При обратном движении поршней 4, 5 от НМТ к соответствующим ВМТ давление газа в расширительных цилиндрах 2, 3 растет за счет сжатия газа, оставшегося газа в цилиндрах 2 после закрытия выпускного клапана 9, в расширительных цилиндрах 3 после закрытия поршнями 5 выхлопных окон 15. С повышением давления в цилиндрах 2 и 3 при подходе поршней к ВМТ открываются впускные клапаны 8, 13. Далее циклы повторяются.
Предложенное техническое решение позволяет повысить эффективность работы расширительной машины за счет получения большей индикаторной работы посредством последовательного ступенчатого расширения в расширительных цилиндрах с увеличивающимися площадями поперечного сечения.
Впускной и выпускной нормально открытые клапаны могут быть выполнены в виде подпружиненных или подвешенных на пружинах растяжения тарельчатых запорных элементов, либо выполнены в виде консольно закрепленных упругих пластин, либо в виде подпружиненных кольцевых запорных элементов, либо впускной клапан может быть выполнен в виде подпружиненного запорного элемента, а выпускной клапан - в виде консольно закрепленной упругой пластины.