Гибридная машина объемного действия с тронковым поршнем
VOLUMETRIC HYBRID MACHINE WITH TRUNK PISTON

Изобретение относится к системам гидро- и пневмоснабжения и может быть использовано при создании компактных агрегатов, подающих потребителю одновременно или попеременно сжатый воздух и жидкость под давлением.
Известна гибридная машина объемного действия с тронковым поршнем, содержащая картер с механизмом привода, тронковый поршень, газовый и жидкостный цилиндры с всасывающими и нагнетательными клапанами, размещенными соответственно в полостях всасывания и нагнетания, соединенными с линиями всасывания и нагнетания газа и жидкости (см. например, патент РФ № 2 640 658, МПК F04B19/06, Поршневая двухступенчатая машина с внутренней системой жидкостного охлаждения, опубл. 10.01.2018, бюл. № 2).Недостатком этой конструкции является большой мертвый объем насосного цилиндра, в который включена рубашка охлаждения газового цилиндра, в связи с чем снижается объемный КПД машины и возможность сжимать жидкости до высоких давлений, особенно, если в жидкости присутствует большое количество растворенных газов.
Этот недостаток устранен в конструкции гибридной машины, содержащей картер с механизмом привода, тронковый поршень, газовый и жидкостный цилиндры с всасывающими и нагнетательными клапанами, размещенными соответственно в полостях всасывания и нагнетания, соединенными с линиями всасывания и нагнетания газа и жидкости, причем полости всасывания и нагнетания газа размещены в клапанной коробке, жидкостный цилиндр совмещен с рубашкой охлаждения, расположенной вокруг газовой полости, а поршень имеет кольцевой выступ, входящий в эту рубашку охлаждения (см., например, патент РФ № 2 578 758, МПК F04B19/06, Поршневой насос-компрессор, опубл. 27.03.2016, бюл. № 9).
Недостатком известной конструкции является чрезвычайно высокая сложность технологии изготовления сопрягающихся поверхностей поршней и цилиндров, что вынуждает жидкостный поршень, представляющий собой кольцевой выступ, изготавливать отдельно и впоследствии монтировать на газовом поршне. В то же время известно, что при монтаже и креплении одной детали к другой возникают напряжения в элементах соединения (сварочный шов, болты, шпильки и т.д.), которые искажают поверхности, из-за чего после монтажа требуется проведение дорогостоящей ручной операции - доводки рабочих поверхностей.
Описанные обстоятельства существенно повышают стоимость изготовления машины и, следовательно, удельную приведенную стоимость сжатого газа и жидкости под давлением.
Кроме того, известная конструкция практически не подлежит планово-предупредительному ремонту цилиндропоршневой группы в условиях эксплуатирующего предприятия, т.к. для восстановления изношенных поверхностей и сборки требуется высококвалифицированный персонал и специализированное оборудование. В связи с этим эксплуатация машины продолжается и при изношенных сопрягающихся поверхностях, т.е. при повышенных зазорах между поршнями и цилиндрами, что снижает КПД насос-компрессора.
Технической задачей изобретения является повышение технологичности, КПД конструкции и обеспечение ремонтопригодности ее цилиндропоршневой группы.
Указанная цель достигается тем, что в гибридной машине объемного действия с тронковым поршнем, содержащей картер с механизмом привода, тронковый поршень, газовый и жидкостный цилиндры с всасывающими и нагнетательными клапанами, размещенными соответственно в полостях всасывания и нагнетания, соединенными с линиями всасывания и нагнетания газа и жидкости, причем полости всасывания и нагнетания газа размещены в клапанной коробке, жидкостный цилиндр совмещен с рубашкой охлаждения, расположенной вокруг газовой полости, а поршень имеет кольцевой выступ, входящий в эту рубашку охлаждения, в соответствии с изобретением клапанная коробка содержит выступ, сопряженный с внутренней поверхностью кольцевого выступа, а полости всасывания и нагнетания газа расположены в этом выступе.
Полости всасывания и или нагнетания газа могут быть отделены от тела выступа клапанной коробки теплоизоляцией, они могут быть также выполнены в виде каналов в теле клапанной коробки, которые разделены перегородками вдоль своей оси, и в этих перегородках выполнены отверстия, оси которых не совпадают друг с другом.
В каналах тела клапанной коробки могут быть установлены пневмодиоды или группы пневмодиодов с меньшим гидравлическим сопротивлением, направленным по ходу потока газа, и эти пневмодиоды могут быть выполнены в виде отверстий в пластине с отбортовкой, направленной по ходу движения газа.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 схематично изображено продольное сечение машины с выступом на клапанной коробке и каналами в ней, выполняющими функции всасывающей и нагнетательной полостей, причем эти каналы отделены от корпуса клапанной коробки теплоизоляцией.
На фиг. 2 укрупненно изображено сечение цилиндропоршневой группы с каналами всасывающей и нагнетательной газовых полостей, причем в этих каналах размещены перегородки с несоосными отверстиями.
На фиг. 3 изображено сечение цилиндропоршневой группы, с  каналами в клапанной коробке, причем в этих каналах установлены группы пневмодиодов, меньшее сопротивление которых направлено в сторону потока газа.
На фиг. 4 изображено сечение цилиндропоршневой группы аналогичное изображенному на фиг. 3, но пневмодиоды здесь выполнены в виде отверстий в пластинах с отбортовкой, направленной по ходу движения газа.
Гибридная поршневая машина объемного действия с тронковым поршнем (фиг. 1) содержит картер 1 с кривошипно-шатунным механизмом привода 2 с шатуном 3 и пальцем 4, тронковый поршень 5,  газовый 6 и жидкостный 7 цилиндры с всасывающими 8 и 9 и нагнетательными 10 и 11 клапанами. Клапаны размещены соответственно в полостях всасывания 12 и 13 и нагнетания 14 и 15, которые соединены с линиями всасывания 16 и 17 и нагнетания 18 и 19 газа и жидкости. Полости всасывания 12 и нагнетания 14 газа размещены в клапанной коробке 20. Жидкостный цилиндр 7 совмещен с рубашкой охлаждения 21, расположенной вокруг газового цилиндра 6. Поршень 5 имеет кольцевой выступ 22, входящий в эту рубашку охлаждения. Клапанная коробка 20 содержит выступ 23, сопряженный с зазором 24 с внутренней поверхностью кольцевого выступа 22 поршня 5, а полости всасывания 12 и нагнетания 14 газа расположены в этом выступе 23. Наружная поверхность кольцевого выступа 22 поршня 5 сопряжена с цилиндром 7 с зазором 25, который может быть уплотнен кольцами 26. Шатун 3 приводится в движение шатунной шейкой 27 коленчатого вала 28. Картер 1 частично заполнен маслом 29.
Полости всасывания 12 и или нагнетания 14 газа могут быть отделены от тела выступа 23 клапанной коробки 20 теплоизоляцией 30, выполненной, например, в виде вкладыша из теплоизоляционного материала.
Полости всасывания 12 и нагнетания 14 газа могут быть также выполнены в виде каналов 31 и 32 в теле клапанной коробки 20 и ее выступа 23, и могут  быть разделены перегородками 33 вдоль своей оси (фиг. 2), в которых выполнены отверстия 34, оси которых не совпадают друг с другом.
В  каналах 31 и 32 могут быть установлены пневмодиоды или группы пневмодиодов 35 с меньшим гидравлическим сопротивлением, направленным по ходу потока газа (фиг. 3).
Пневмодиоды, размещенные в каналах 31 и 32, могут быть также выполнены в виде отверстий 36 с отбортовкой 37 в пластинах 38, причем отбортовка направлена по ходу движения газа (фиг. 4).
Насос-компрессор работает следующим образом (фиг. 1).
При вращении коленчатого вала 28 за счет взаимодействия шатунной шейки 27 этого вала с шатуном 3 создается возвратно-поступательное перемещение пальца 4 с поршнем 5.
При возвратно-поступательном движении поршня 5 жидкость через полость всасывания 13 и клапан 9 попадает в жидкостный цилиндр 7 (поршень 5 идет вниз), после чего сжимается в нем (поршень 5 идет вверх) и нагнетается потребителю через клапан 11 и полость нагнетания 15.
Синхронно с жидкостным цилиндром 7 работает газовый цилиндр 6. При ходе поршня 5 вниз газ из полости всасывания 12 через клапан 8 попадает в полость цилиндра 6, а при ходе поршня 5 вверх газ сжимается, и при достижении давления потребителя открывает клапан 10 и газ нагнетается в полость нагнетания 14 и далее – потребителю.
Рабочая полость жидкостного цилиндра 7 в данной конструкции совмещена с рубашкой охлаждения 21, и протекающая по ней жидкость активно омывает и охлаждает выступ 23 клапанной коробки 20 и отводит теплоту, в том числе (за счет теплопроводности) от торца выступа 23, который является по существу клапанной плитой газового цилиндра 6.
Кроме того, охлаждающая жидкость циркулирует в зазорах 24 и 25, т.к. в процессе сжатия нагнетания жидкости она протекает в эти зазоры (давление жидкости в современных агрегатах всегда выше давления питающего газа, которое не превышает 8-10 бар), одновременно препятствуя утечкам сжимаемого газа.
В то же время в процессе всасывания давление жидкости в цилиндре 7 значительно ниже давления всасывания газа в цилиндре 6, т.к. жидкость имеет гораздо более высокую, чем газ плотность и вязкость, что предопределяет большое гидравлическое сопротивление жидкостных всасывающих клапанов и, следовательно, большое разрежение в цилиндре 7. Поэтому в процессе всасывания значительная часть жидкости из зазоров 24 и 25 возвращается обратно в цилиндр 7.
Эта циркуляция жидкости способствует хорошему охлаждению верхней части поршня – выступа 22 и дна цилиндра 6.
Такая компоновка агрегата, включающая клапанную коробку 20 с выступом 22, которые сцентрированы относительно рабочей цилиндрической поверхности жидкостного цилиндра 7 (см. также фиг. 2), позволяет при сборке сразу получить цилиндр 7 в виде кольцевой выточки с практически идеально параллельными цилиндрическими поверхностями, по одной из которых центрируется поршень 5 с выступом 22. Обе рабочие поверхности поршня 5 – наружная и внутренняя, которые работают в цилиндре 7 и в цилиндре 6, являются цилиндрическими поверхностями одной детали, находящимися на одной оси, и могут быть изготовлены практически концентрично за одну установку на обрабатывающем оборудовании.
Таким образом, технология изготовления цилиндропоршневой группы представленной конструкции чрезвычайно проста. Это позволяет изготавливать ее с минимальными (буквально – несколько микрометров) радиальными зазорами, а при проведении планово-предупредительных ремонтов у эксплуатирующей организации не будет проблем с восстановлением изношенных поверхностей.
Теплоизоляция 30 устанавливается в обоих каналах (31 и 32), либо в одном из них в зависимости от режима работы агрегата, и существенно влияет на его КПД. Так, например, если всасывается холодный газ, который затем сжимается до низкого давления, то теплоизоляцию нужно ставить только в канале 31 на всасывании. Это предотвратит подогрев газа в процессе всасывания, что позволит не изменять в меньшую сторону его плотность и повысить производительность машины по газу. В то же время температура нагнетаемого газа не будет высокой, и протекающий по каналу 32 воздух не будет подогревать в значительной степени всасываемую жидкость, которая, таким образом, будет успешно охлаждать поршень 5 и цилиндр 6. Если же газ сжимается до высокого давления (10-12 бар), то теплоизоляцию нужно ставить и в канале 32, чтобы газ не подогревал жидкость и т.д.
На фиг. 2 показано устройство насос-компрессора, в котором полость всасывания 12 и полость нагнетания 14 газа разделены перегородками 33 вдоль своей оси, и в этих перегородках выполнены отверстия 34, оси которых не совпадают друг с другом.
При работе газового цилиндра 6 (см. описание его работы выше)  всасываемый газ периодически проходит через полость всасывания 12. При отсутствии перегородок 33 с отверстиями 34 в начале процесса всасывания газ, находящийся в полости 12 разгоняется под действием перепада давления на клапане 8, в связи с чем его давление в полости 12 резко падает, а в конце процесса всасывания при закрытии клапана 8 движение газа прекращается, и его кинетическая энергия переходит в потенциальную энергию давления, и давление в полости 12 резко возрастает. Это явление происходит на каждом ходе поршня 5. Таким образом, возникают колебания давления в полости 12, на которые расходуется энергия, подведенная к приводу машины, что снижает ее КПД.
Перегородки 33 с отверстиями 34 в объеме полости 12 образуют подобие включенного в поток газа RC-фильтра в котором отверстия 34 выполняют функции резистора R (гидравлическое сопротивление потоку газа), а сама полость 12 - функцию конденсатора (накопителя) С. Сопротивление резистора определяется гидравлическим сопротивлением потоку газа, возникающем при прохождении диафрагм - отверстий 34 (внезапное сужение с последующим внезапным расширением), а величина емкости определяется объемом полости 12.
Гидравлическое сопротивление потоку определяется количеством перегородок 33 и диаметром и количеством отверстий 34. Смещение осей отверстий 34 также оказывает влияние на сопротивление потоку – чем оно больше, тем больше сопротивление. Это происходит за счет изменения длины пробега молекул газа, и, соответственно, изменения сопротивления трения.
Величина максимального объема полости 12 ограничена размерами выступа 23, т.е. практически диаметром цилиндра 6 и ходом поршня 5. Поэтому характеристику описанного пневматического RC-фильтра можно регулировать в основном за счет изменения количества перегородок 33, количества и диаметра отверстий 34 и их взаимного расположения.
Как известно, RC-фильтры, включенные последовательно в поток, способствуют сглаживанию пульсаций, т.е. уменьшению колебаний амплитуды, в данном случае – амплитуды колебания давления газа. Это снижает потери мощности, подведенной к машине, и, соответственно, приводит к повышению ее КПД.
Аналогичные процессы протекают в полости нагнетания 14, где возникающие колебания давления гасятся RC-фильтром, образованным объемом полости 14 и перегородками 33 с отверстиями 34.
В машине, сечение цилиндропоршневой группы которой показано на фиг. 3, где в полостях всасывания 12 и нагнетания 14 газа установлены группы пневмодиодов 35 с меньшим гидравлическим сопротивлением, направленным по ходу потока газа, происходят следующие процессы.
При всасывании газа через клапан 8 давление в полости 12 падает вслед за падением давления в цилиндре 6. Газ с высокой скоростью течет через пневмодиоды 35, которые практически не оказывают сопротивление потоку. После окончания процесса всасывания поршень 5 начинает движение вверх, давление в цилиндре возрастает, и клапан 8 закрывается. При этом газ, текущий по полости 12, тормозится, его давление возрастает выше давления всасывания, и он стремиться истекать в обратную сторону. Однако этому течению препятствуют пневмодиоды 35, в связи с чем некоторое время давление в полости 12 остается выше давления всасывания.
В течение этого времени поршень 5 завершает движение вверх и начинает движение вниз, давление в цилиндре 6 снижается, и клапан 8 открывается. Причем в связи с тем, что давление в полости 12 оказывается выше давления всасывания, это открытие происходит раньше, в связи с чем в процессе всасывания в цилиндр 6 попадает больше газа, что увеличивает производительность машины по газу.
В процессе сжатия-нагнетания, когда поршень 5 движется вверх, по достижении давления в цилиндре 6 давления нагнетания, клапан 10 открывается, и газ движется из этого цилиндра через полость 14 и установленные в ней пневмодиоды 35, которые не оказывают потоку газа сопротивление. После прихода поршня 5 в положение верхней мертвой точки клапан 10 закрывается. При этом масса газа, находящаяся в полости 14, продолжает движение по инерции (сжатый газ имеет относительно высокую плотность), в связи с чем при закрытом клапане 10 происходит его расширение, и его давление падает. Вследствие снизившегося давления в полости 14, под действием перепада давления газа между ней и давления нагнетания, газ из линии нагнетания 18 стремиться течь в обратном направлении – в полость 12, однако этому течению препятствуют гидродиоды 35, в связи с чем некоторое время давление в полости 14 остается ниже давления нагнетания.
В течение этого времени поршень 5 успевает совершить движение вниз, всасывая газ в цилиндр 6,  и часть движения вверх, сжимая газ в цилиндре 6 до давления газа в полости 14, которое остается еще ниже давления нагнетания, и при этом уже происходит открытие клапана 10, начинается процесс нагнетания газа в полость 12 и далее в линию нагнетания 18.
Таким образом, процесс нагнетания газа начинается раньше, чем при обычном исполнении машины, из-за чего работа, потраченная на сжатие газа, снижается, что приводит к увеличению индикаторного КПД машины.
Работа машины, изображенной на фиг. 4, в которой пневмодиоды выполнены в виде отверстий 36 с отбортовкой 37 в пластинах 38, причем отбортовка направлена по ходу движения газа, не отличается от вышеописанной. Однако, такая конструкция позволяет дополнительно снизить технологические затраты на изготовление машины, а также позволяет изготавливать машины малой производительности с диаметром цилиндра 6 тридцать миллиметров и менее.
Таким образом, предложенная конструкция гибридной машины объемного действия с тронковым поршнем отличается от известных подобных машин более высокой технологичностью и ремонтопригодностью цилиндропоршневой группы за счет того, что клапанная коробка содержит выступ, сопряженный с внутренней поверхностью кольцевого выступа, а полости всасывания и нагнетания газа расположены в этом выступе.
Установка теплоизоляции между полостями всасывания и нагнетания и стенками кольцевого выступа позволяет минимизировать подогрев всасываемого газа и охлаждающей жидкости, что повышает производительность и КПД конструкции.
Выполнение полости всасывания и или нагнетания газа в виде каналов в теле клапанной коробки, которые разделены перегородками вдоль своей оси с отверстиями, оси которых не совпадают друг с другом, позволяют снизить колебания газа в полостях всасывания и нагнетания и тем самым повысить КПД машины.
Установка пневмодиодов в выполненных в виде каналов полостях всасывания и или нагнетания с меньшим гидравлическим сопротивлением, направленным по ходу потока газа, позволяет повысить производительность машины и ее КПД.
Таким образом, следует считать, что техническая задача изобретения полностью выполнена.