×
12.07.2018
218.016.705d

Поршневая гибридная энергетическая машина со ступенчатым уплотнением

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к области энергетики, гидравлических и пневматических устройств, в частности для сжатия и перемещения газов и жидкостей. Машина 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 полостей. Полость 4 имеет мертвый объем V и соединена с источником и потребителем сжатого газа соответственно через всасывающие 6 и нагнетательные 7 газовые клапаны. Полость 5 - с источником и потребителем жидкости через всасывающие 8 и нагнетательные 9 жидкостные клапаны. В зоне полости 5 имеется ступенчатое расширение цилиндра 1 в виде выточки 10 с образованием радиального зазора δ большей величины, чем радиальный зазор δ. При работе машины выполняется соотношение V=V-V, где V - мертвый объем полости 4, V - объем жидкости, перетекшей из полости 5 в полость 4 в процессе сжатия и нагнетания жидкости; V - объем жидкости, перетекшей из полости 5 в полость 4 в процессе сжатия и нагнетания газа. Над поршнем 2 всегда присутствует слой жидкости, причем толщина этого слоя в конце процесса сжатия газа равна линейному мертвому объему L, что дает возможность получать высокое давление в одной ступени при полном отсутствии утечек. Постоянная циркуляция жидкости в зазоре между поршнем 2 и цилиндром 1 снижает их температуру. Позволяет использовать большие зазоры между поршнем 2 и цилиндром 1, т.е. исключить возможность заклинивания поршня 2 при пуске машины, организовать хорошее охлаждение газа и повысить экономичность машины. 5 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

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:

VM=V1-V2,

где VM - мертвый объем компрессорной полости, , где LM - линейный мертвый объем компрессорной полости, dP - диаметр поршня;

- V1 - объем жидкости, перетекшей из жидкостной полости в компрессорную в процессе сжатия и нагнетания жидкости;

- V2 - объем жидкости, перетекшей из компрессорной полости в жидкостную в процессе сжатия и нагнетания газа,

и при этом

где - средняя протяженность круговой щели с радиальным зазором δ1, pWG - среднее давление жидкости в зоне ступенчатого расширения цилиндра на ходе сжатия жидкости, pGB - давление всасывания газа, pG - среднее индикаторное давление газа в процессе его сжатия и нагнетания, pGW - 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.

Поршневая гибридная энергетическая машина (фиг. 1) содержит цилиндр 1 и размещенный в нем с радиальным зазором δ1 в верхней части дифференциальный поршень 2 со штоком 3 с образованием верхней компрессорной 4 и нижней насосной 5 полости.

Компрессорная полость 4 имеет мертвый объем VM 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.

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 δ2 большей величины, чем радиальный зазор δ1 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.

dP - диаметр поршня 2.

ВМТ и НМТ - положение днища поршня 2 соответственно в верхней и нижней мертвой точке.

LM - величина линейного мертвого объема.

L - расстояние от начала выточки 10 до ВМТ.

- длина уплотняющей части поршня 2 в зоне радиального зазора δ1.

- длина уплотняющей части поршня 2 в зоне радиального зазора δ2.

pGW - давление в месте перехода уплотняющей части длиной l1 в уплотняющую часть длиной l2 (начало выточки 10) при течении жидкости из полости 4 в полость 5.

pWG - давление в месте перехода уплотняющей части длиной l1 в уплотняющую часть длиной l2 (начало выточки 10) при течении жидкости из полости 5 в полость 4.

LP - длина поршня 2.

S - полный ход поршня 2.

V1 - объем жидкости, поступивший в полость 4 при ходе поршня 2 вниз.

V2 - объем жидкости, поступивший в полость 5 при ходе поршня 2 вверх.

pG - давление газа в полости 4, pW - давление жидкости в полости 5.

pWB и pWH - соответственно давление всасывания и нагнетания жидкости.

pGB и pGH - соответственно давление всасывания и нагнетания газа.

Δ - слой жидкости над поршнем 2 в конце хода поршня 2 вниз (фиг. 3).

- минимальная длина уплотняющей части поршня 2 в зоне радиального зазора δ1. при ходе поршня 2 вниз (фиг. 3).

- максимальная длина уплотняющей части поршня 2 в зоне радиального зазора δ1. при ходе поршня 2 вверх (фиг. 5).

- максимальная длина уплотняющей части поршня 2 в зоне радиального зазора δ2. при ходе поршня 2 вниз (фиг. 3).

- минимальная длина уплотняющей части поршня 2 в зоне радиального зазора δ2. при ходе поршня 2 вверх (фиг. 5).

Машина работает следующим образом.

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 pGB поступает в полость 4. Движение газа показано стрелками.

В это же время в полости 5 происходит сжатие жидкости и ее нагнетание потребителю под давлением нагнетания pWH через открытый перепадом давления клапан 9.

В связи с тем, что давление нагнетания жидкости больше, чем давление всасывания газа, жидкость из полости 5 через радиальный зазор δ2 и далее через радиальный зазор δ1 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.

При ходе поршня 2 вверх от НМТ к ВМТ (ход сжатия и нагнетания газа, всасывания жидкости, фиг. 4), при достижении газом давления нагнетания pGH, открывается клапан 7, и газ из полости 4 истекает потребителю (движение газа показано стрелками).

В это же время происходит увеличение объема полости 5, в связи с чем в ней образуется разрежение, и жидкость от источника под давлением всасывания pWB поступает через открытый клапан 8 в полость 5 (движение жидкости показано стрелками).

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 δ1, а затем через радиальный зазор δ2 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).

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), V2 - объем жидкости, перетекшей из компрессорной полости в жидкостную в процессе сжатия и нагнетания газа, LM - линейный мертвый объем компрессорной полости.

После полного перехода к объемам и после преобразования эта формула принимает вид

Уравнение для определения объемного расхода жидкости V через узкую круглую кольцевую щель диаметром d высотой δ с перепадом давления Δр=р12 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

В этом случае, при известной из конструктивных соображений и технологических возможностей изготовления машины величине мертвого объема VM, для определения величин V1 и V2, необходимых для выполнения условия (1), следует записать следующую систему уравнений:

где - средняя длина зазора δ1 в процессе движения поршня 2 между мертвыми точками.

Величины pGW и pWG могут быть определены из решения уравнений баланса объемных расходов жидкости через зазоры δ1 и δ2, аналогичных уравнениям системы (3), составленных для хода поршня 2 вверх и вниз. При этом определение расхода через зазор δ2 необходимо вести с использованием в качестве его средней длины .

Таким образом, в предложенной конструкции возможно использование сравнительно больших зазоров между поршнем 2 и цилиндром 1 (радиальный зазор δ1 - порядка 30-50 мкм и более, радиальный зазор δ2 - 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.


Поршневая гибридная энергетическая машина со ступенчатым уплотнением
Поршневая гибридная энергетическая машина со ступенчатым уплотнением
Поршневая гибридная энергетическая машина со ступенчатым уплотнением
Поршневая гибридная энергетическая машина со ступенчатым уплотнением
Поршневая гибридная энергетическая машина со ступенчатым уплотнением
Поршневая гибридная энергетическая машина со ступенчатым уплотнением
Поршневая гибридная энергетическая машина со ступенчатым уплотнением
Поршневая гибридная энергетическая машина со ступенчатым уплотнением
Поршневая гибридная энергетическая машина со ступенчатым уплотнением
Поршневая гибридная энергетическая машина со ступенчатым уплотнением
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 1-10 of 109 items.
25.08.2017
№217.015.b522

Устройство дифференциальной защиты на герконах и магниторезисторе для преобразовательной установки с трансформатором и выпрямителем

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к устройствам для защиты вентильных преобразовательных установок, и может быть использовано на преобразовательных установках, силовые трансформаторы которых имеют значительный бросок тока намагничивания. Устройство содержит исполнительный...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002614243
Дата охранного документа: 24.03.2017
25.08.2017
№217.015.b6b7

Устройство защиты линии электропередачи из двух параллельно соединенных кабелей в электрической сети с изолированной нейтралью от однофазного замыкания на землю

Использование: в области электротехники и электроэнергетики. Технический результат - обеспечение селективности защиты. Устройство защиты содержит трансформаторы тока нулевой последовательности на каждом кабеле и реле тока. При этом обмотки трансформаторов тока нулевой последовательности...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002614528
Дата охранного документа: 28.03.2017
25.08.2017
№217.015.be41

Спортивно-охотничий лук

Изобретение относится к метательному оружию и может быть использовано при создании недорогих и достаточно мощных луков и арбалетов для спортивных тренировок, состязаний и спортивной охоты. Лук содержит рукоять (1) с полочкой (2) для укладки стрелы (3) и натяженое устройство тетивы (4) в виде...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002616772
Дата охранного документа: 18.04.2017
25.08.2017
№217.015.bfb2

Способ средневолновой многоканальной зоновой сети двусторонней мобильной автоматической радиосвязи с временным разделением режимов приема и передачи сообщений

Изобретение относится к технике связи и может использоваться в системах мобильной связи. Технический результат состоит в повышении надежности связи. Для этого способ средневолновой зоновой сети двусторонней радиосвязи с временным разделением режимов приема и передачи сообщений заключается в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002617211
Дата охранного документа: 24.04.2017
25.08.2017
№217.015.c269

Способ получения металлизированного изображения

Изобретение относится к электронике, полиграфии и может быть использовано при изготовлении печатных плат для формирования металлизированного изображения. Технический результат – упрощение способа за счет отсутствия необходимости воздействия лазерным импульсом на обработанную поверхность, а...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002617705
Дата охранного документа: 26.04.2017
25.08.2017
№217.015.c499

Устройство защиты печного трансформатора

Изобретение относится к электротехнике, а именно к технике релейной защиты, и может быть использовано в качестве устройства защиты печного трансформатора от коротких замыканий. Устройство защиты печного трансформатора, содержащее блок измерения тока и напряжения, первый и второй блоки логики,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002618216
Дата охранного документа: 03.05.2017
25.08.2017
№217.015.c5a5

Устройство контроля веществ

Предложено устройство контроля веществ, содержащее источник физического поля 1 в составе соединенных последовательно генератора сигналов 14, модулятора 15, светодиода 16, к которым подключены последовательно элемент с объектом контроля 2, преобразователь физического поля 3, и, кроме того,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002618488
Дата охранного документа: 03.05.2017
25.08.2017
№217.015.c9b8

Поршневой двигатель

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано преимущественно в качестве силовой установки для транспортных средств с экологически чистым выхлопом. Двигатель состоит из блока цилиндров, шатунно-поршневых групп, работающих на общий коленчатый вал, системы...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002619516
Дата охранного документа: 16.05.2017
25.08.2017
№217.015.d074

Стабилизированный электропривод

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в высокоточных электроприводах. Технический результат - улучшение динамических характеристик электропривода. Для этого предложен стабилизированный электропривод, который содержит электродвигатель, импульсный датчик...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002621288
Дата охранного документа: 01.06.2017
25.08.2017
№217.015.d1d2

Способ спуска отделяющейся части ступени ракеты космического назначения и устройство для его осуществления

Группа изобретений относится к ракетно-космической технике. Способ спуска отработанной части (ОЧ) ступени РКН на жидких компонентах ракетного топлива в заданный район падения основан на стабилизации и ориентации ОЧ за счет энергетики невыработанных остатков жидких компонентов ракетного топлива...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002621771
Дата охранного документа: 07.06.2017
Showing 1-10 of 90 items.
20.02.2013
№216.012.2668

Ударный гайковерт

Изобретение относится к общему машиностроению и может быть использовано при сборке и разборке резьбовых соединений с большим моментом затяжки. Ударный гайковерт содержит корпус, двигатель с валом, который соединен с первой полумуфтой, и установленную соосно с ней вторую полумуфту, соединенную с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002475352
Дата охранного документа: 20.02.2013
10.06.2013
№216.012.493d

Гидравлический амортизатор

Изобретение относится к машиностроению. Амортизатор содержит цилиндр с гидравлической полостью и установленный в нем поршень. Перепускные отверстия перекрыты обратными клапанами, имеющими подвижный запорный орган. Обратные клапаны снабжены ограничителями подъема, выполненными в виде...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002484329
Дата охранного документа: 10.06.2013
27.12.2013
№216.012.9185

Снаряд с газовым подвесом

Изобретение относится к боеприпасам, в частности к снарядам с газовым подвесом. Снаряд с газовым подвесом содержит гладкую цилиндрическую часть. В цилиндрической части выполнена полость питания. Полость питания соединена с наружной цилиндрической поверхностью через питающие устройства. Полость...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002502946
Дата охранного документа: 27.12.2013
10.04.2014
№216.012.b46a

Компрессор с комбинированным механизмом привода

Изобретение относится к области компрессоров объемного действия и может быть использовано при создании, преимущественно, поршневых компрессоров. Компрессор состоит из основного 1 и дополнительного 2 цилиндров с обратными клапанами 3, 4, 5 и 6. В цилиндре 1 с зазором размещен основной поршень...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002511906
Дата охранного документа: 10.04.2014
20.05.2014
№216.012.c7f6

Способ газостатического центрирования снаряда и устройство для его осуществления

Изобретение относится к оружию и может быть использовано в высокоточном огнестрельном гладкоствольном оружии. Устройство газостатического центрирования снаряда содержит ствол с казенной частью, запертой корпусом двойного ударного механизма, внутреннюю втулку с продольным каналом. Боевой выстрел...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002516949
Дата охранного документа: 20.05.2014
10.06.2014
№216.012.cf21

Машина объемного действия

Изобретение относится к области насосо- и компрессоростроения и может быть использовано при создании поршневых машин объемного действия, предназначенных для сжатия и подачи потребителю одновременно или попеременно жидкостей и газов. Машина состоит из цилиндра 1 с дифференциальным П-образным в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002518796
Дата охранного документа: 10.06.2014
27.06.2014
№216.012.d6d4

Роторный насос объемного действия

Изобретение относится к гидравлической технике и может использоваться для подачи жидкостей под давлением, преимущественно при питании гидроприводов различного назначения. Роторный насос объемного действия содержит всасывающее окно и нагнетательный клапан, рабочий цилиндр 2 с размещенным в нем...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002520774
Дата охранного документа: 27.06.2014
20.08.2014
№216.012.ea42

Способ пуска двигателя внутреннего сгорания при низких температурах и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области автомобилестроения и может быть использовано при пуске двигателей внутреннего сгорания при низкой температуре окружающей среды, характерной для районов Сибири и Крайнего Севера. Способ состоит в том, что перед пуском двигателя производят подогрев топлива в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002525778
Дата охранного документа: 20.08.2014
10.12.2014
№216.013.0ca6

Способ работы насос-компрессора и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области насосо- и компрсссоростроения и может быть использовано при создании машин для сжатия и подачи одновременно или попеременно жидкостей и газов. Способ состоит в том, что перед сменой жидкости осуществляют очистку гидравлической магистрали и рубашки, окружающей...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002534655
Дата охранного документа: 10.12.2014
10.01.2015
№216.013.1a68

Универсальная прямозубая машина объемного действия

Изобретение относится к области насосо- и компрессоростроения и может быть использовано при создании машин объемного действия, использующихся для подачи жидкости под напором и газа под давлением. Прямозубая машина объемного действия содержит корпус, всасывающее окно и нагнетательный клапан 17,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002538188
Дата охранного документа: 10.01.2015
+ добавить свой РИД