МАШИНА ОБЪЕМНОГО ДЕЙСТВИЯ Российский патент 1994 года по МПК F04B43/04 

Изобретение относится к машиностроению, касается машин объемного действия, которые могут быть применены в различных отраслях народного хозяйства в качестве насоса, компрессора, детандера-генератора или генератора.

Известна машина объемного действия для перекачки текучих сред, содержащая электромагнитный привод с многофазной обмоткой и рабочую камеру, в которой размещен рабочий орган из магнитореологического вещества. Кроме того, рабочая камера имеет всасывающие и нагнетательные клапаны. В качестве магнитореологического вещества использована магнитная жидкость, которая в рабочей камере образует один рабочий поршень. Индуктор машины имеет замкнутую кольцевую форму и создает вращающееся магнитное поле. При взаимодействии с магнитным полем индукторам магнитный жидкостный поршень совершает возвратно-поступательное (колебательное) движение, при этом перекачиваемая среда поступает в рабочую камеру через всасывающие клапаны и вытесняется из камеры через нагнетательные клапаны.

Однако всасывающие и нагнетательные клапаны усложняют конструкцию и снижают КПД машины из-за потерь давления в клапанах и наличия "мертвого" пространства при перекачке текучих сжимаемых сред. Кроме того, линии магнитного потока в этой машине проходят вдоль рабочей полости и поршня, что снижает эффективность машины, так как известно, что магнитная жидкость при прочих равных условиях удерживает больший перепад давления в том случае, когда линии магнитного потока направлены поперек поршня.

Эту машину нельзя использовать в качестве детандера без усложнения ее конструкции, так как для этого требуются дополнительные механизмы принудительного срабатывания впускного и выпускного клапанов.

Техническим результатом настоящего изобретения является исключение из конструкции машины всасывающих и нагнетательных клапанов, снижение потерь давления, устранение "мертвого" пространства, увеличение удерживаемого перепада давления одним поршнем, возможность использования машины в качестве детандера.

Это достигается тем, что электромагнитный привод выполнен в виде линейного индуктора бегущего магнитного поля, состоящего из двух частей с согласным соединением обмоток, а между частями индуктора расположена рабочая камера с однонаправленным движением рабочей среды. Кроме того, в качестве магнитореологического вещества использована магнитная жидкость, или магнитореологическая суспензия, или ферромагнитная дробь в сочетании с магнитной жидкостью, или ферромагнитная дробь. Части индуктора выполнены плоскими, между ними расположена рабочая камера прямоугольного поперечного сечения или части индуктора имеют кольцевую в поперечном сечении форму, между которыми расположена кольцевая в поперечном сечении рабочая камера. Кроме того, обмотка каждой плоской части индуктора уложена в пазы магнитопровода, выполненного из листов электротехнической стали, расположенных поперек оси рабочей камеры, которые со стороны рабочей камеры на расстоянии 0,03-0,3 толщины индуктора имеют изгиб и равномерно распределены вдоль рабочей камеры, образуя между собой зазоры, в которые вставлены пластины из неферромагнитного материала, имеющие внутренний вырез по контуру рабочей камеры и охватывающие ее.

На фиг.1 схематично представлен продольный разрез предлагаемой машины; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - узел I на фиг.1; на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.5 - схема магнитного поля; на фиг.6 - исходное положение первого поршня; на фиг.7 - второе положение поршня; на фиг.8 - третье положение поршня; на фиг.9 - положение первого поршня и начало образования второго поршня; на фиг.10 - положение первого поршня и соединение частей второго поршня; на фиг.11 - положение первого поршня и сформировавшийся второй поршень; на фиг.12 - положение второго поршня и начало разрыва частей первого поршня; на фиг.13 - положение второго поршня; на фиг.14 - схема четырехпоршневой машины.

Машина объемного действия для работы с текучей сжимаемой средой (фиг. 1-4) содержит корпус 1 с сужающейся рабочей камерой 2 прямоугольного сечения, патрубки 3 и 4, расположенный вдоль корпуса электромагнитный индуктор 5 и размещенный в рабочей камере магнитный рабочий орган 6 в виде магнитореологического вещества, например магнитной жидкости. Электромагнитный двухсторонний линейный индуктор 5 содержит с каждой стороны электрическую обмотку из отдельных катушек 7, уложенных в пазы магнитопровода 8, выполненного из листов электротехнической стали, расположенных поперек оси рабочей камеры, которые со стороны рабочей камеры на расстоянии ≈0,2 толщины индуктора имеют изгиб и равномерно распределены вдоль рабочей камеры, образуя между собой зазоры, в которые вставлены пластины 9 из неферромагнитного материала, имеющие внутренний вырез по контуру корпуса 1 и охватывающие его. Листы магнитопровода и пластины 9 электроизолированы друг от друга.

Корпус 1 машины изготовлен из неферромагнитного материала и имеет толстые несущие боковые стенки и тонкие герметизирующие верхнюю и нижнюю стенки, которые выполнены с утолщениями за пределами индуктора. Нагрузка сил давления на верхнюю и нижнюю стенки в пределах индуктора воспринимается пластинами 9. В машине имеются опоры 10, а в индукторе машины для охлаждающей среды предусмотрены поперечные каналы 11. Обмотки частей индуктора соединены согласно, т.е. уложены и подсоединены одинаково.

Для снижения потерь, связанных с вихревыми токами, на каждой стороне индуктора внешняя сплошная (без зубцов) горизонтальная часть его магнитопровода, по которой замыкается магнитный поток, может быть выполнена из листов электротехнической стали, расположенных вдоль оси рабочей камеры.

В исходном положении при отсутствии подачи электроэнергии к индуктору 5 магнитная жидкость под действием сил тяжести занимает нижнюю часть рабочей камеры 2 (фиг. 1). При согласном подключении обмоток индуктора к системе трехфазного переменного тока в зазоре индуктора (рабочей камере) создается необходимое бегущее магнитное поле.

При согласном соединении обмоток частей индуктора магнитное поле в рабочей камере, если его представить в виде линий магнитного потока, имеет вид, показанный на фиг. 5. Часть линий проходит через рабочую полость от верхней части индуктора к нижней (зона А, тип I) или наоборот (зона С, тип I). Другая часть линии начинается и заканчивается на верхней или нижней стенке рабочей полости (зона В, тип II).

Пояснение работы для самой простой двухпоршневой машины в качестве насоса (компрессора) для перекачки текучей сжимаемой среды дано на фиг.6-13, где последовательно для характерных моментов времени изображены границы индуктора и зон типа I и II магнитного поля (эти границы изображены над схемой рабочей полости) и соответствующее этим зонам положение магнитной жидкости (жидкостных поршней). При этом магнитное поле и перекачиваемая среда движутся слева направо.

В некоторый момент времени жидкостный поршень находится в зоне типа I магнитного поля (фиг.6), движется вместе с ним, перемещает перекачиваемую среду и удерживает перепад давления ΔР = Р₂ - Р₁ за счет магнитных сил, где Р₁ и Р₂ - давления на входе и выходе машины соответственно.

При движении магнитного поля, а вместе с ним и жидкостного поршня вправо увеличивается длина поршня за счет сужения рабочей полости и уменьшается магнитная зона (тип I), в которой находится поршень. Оба этих фактора приводят к тому, что указанная магнитная зона достигает своего насыщенного состояния (фиг. 7), что соответствует максимальному количеству жидкости, которое может удержать магнитная зона данного типа. Дальнейшее движение поля и поршня ведет к тому, что жидкость попадает под действие соседней слева магнитной зоны типа II и начинает перетекать в эту зону по верхней и нижней стенкам рабочей камеры, так как к этим стенкам направлены вертикальные cоставляющие магнитной силы. Далее жидкость перетекает в соседнюю магнитную зону типа I, где начинает образовываться новый поршень (фиг.9). В некоторый момент времени происходит касание верхней и нижней частей вновь образованного поршня (фиг.10). Таким образом отсекается от линии всасывания некоторый объем перекачиваемой среды. Отметим, что магнитная жидкость в этот момент выполняет функцию всасывающего клапана. Далее необходимый перепад давления ΔР удерживается двумя поршнями, при этом постепенно происходит сжатие перекачиваемой среды между поршнями в сужающейся рабочей камере машины и перераспределение нагрузки и жидкости между ними (фиг.11) вплоть до того момента, когда давление перекачиваемой среды между поршнями станет равным давлению на выходе машины, при этом в расчетном режиме работы машины происходит размыкание правого поршня на две части (фиг.12) и ранее захваченная магнитной жидкостью перекачиваемая среда соединится с линией нагнетания. Магнитная жидкость в этот момент выполняет функцию нагнетательного клапана. Затем уменьшается до нуля магнитная зона типа I, в которой находился правый поршень. При этом магнитная жидкость перетекает в зону левого поршня (фиг.13). Далее все возвращается в исходное положение (фиг.6) и цикл работы машины повторяется.

Машину можно изготовить с любым разумным количеством поршней с соответствующим увеличением разности давлений Р₁ и Р₂. Например, на фиг.14 для некоторого момента времени работы представлены границы индуктора и зон типа I и II магнитного поля и соответствующее этим зонам положение магнитной жидкости (жидкостных поршней) для четырехпоршневой машины. При этом все поршни, кроме первого (самого левого), и соответствующие им зоны магнитного поля всегда находятся в насыщенном состоянии, в соответствии с принципом работы машины для каждого из этих поршней в зону соседнего (левого) поршня перетекает жидкость, по объему равная жидкости, поступающей из правого соседнего поршня, плюс объем жидкости, обусловленный изменением (уменьшением) объема поршня при его движении по сужающейся рабочей камере. Здесь важно подчеркнуть, что хотя поршни движутся синхронно с магнитным полем, но жидкость в них имеет меньшую скорость, чем у магнитного поля. Принцип работы крайних поршней соответствует описанной работе этих поршней в двухпоршневой машине.

Работа машины (фиг. 1-4) в качестве детандера от ее работы в качестве компрессора отличается тем, что индуктор подключается к системе трехфазного переменного тока так, что магнитное поле и рабочая среда движутся справа налево. Рабочая среда совершает работу, которая преобразуется в электрическую энергию, при этом снижается температура рабочей среды и ее давление от Р₂ до Р₁. Если схемы на фиг.6-13 расположить в обратной последовательности, то получим иллюстрацию принципа работы машины в качестве детандера. Для этого случая границы индуктора и зон типа I и II магнитного поля изображены под схемой рабочей камеры.

При работе машины с несжимаемой средой рабочая камера делается с постоянным по длине сечением.

Использование: в качестве насоса, компрессора, детандера-генератора или генератора. Сущность изобретения: в рабочей камере размещен рабочий орган из магнитореологического вещества. Электромагнитный привод с многофазной обмоткой выполнен в виде линейного индуктора бегущего магнитного поля, состоящего из двух частей с согласным соединением обмоток. Между частями индуктора расположена рабочая камера с однонаправленным движением рабочей среды. 4 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. МАШИНА ОБЪЕМНОГО ДЕЙСТВИЯ, содержащая электромагнитный привод с многофазной обмоткой и рабочую камеру, в которой размещен рабочий орган из магнитореологического вещества, отличающаяся тем, что электромагнитный привод выполнен в виде линейного индуктора бегущего магнитного поля, состоящего из двух частей с согласным соединением обмоток, а между частями индуктора расположена рабочая камера с однонаправленным движением рабочей среды. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что в качестве магнитореологического вещества использована магнитная жидкость, или магнитореологическая суспензия, или ферромагнитная дробь в сочетании с магнитной жидкостью, или ферромагнитная дробь. 3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что части индуктора выполнены плоскими и между ними расположена рабочая камера прямоугольного поперечного сечения. 4. Машина по п.1, отличающаяся тем, что рабочая камера выполнена в поперечном сечении кольцевой формы и расположена между двумя частями индуктора, имеющими в поперечном сечении кольцевую форму. 5. Машина по п.3, отличающаяся тем, что обмотка каждой части индуктора уложена в пазы магнитопровода, выполненного из листов электротехнической стали, расположенных поперек оси рабочей камеры, которые со стороны рабочей камеры на расстоянии 0,03 - 0,3 толщины индуктора имеют изгиб и равномерно распределены вдоль рабочей камеры с образованием зазоров, в которые вставлены пластины из неферромагнитного материала, имеющие внутренний вырез по контуру рабочей камеры с возможностью ее охвата.