ГАЗОЖИДКОСТНАЯ МАШИНА Российский патент 1997 года по МПК F03B15/00 

Изобретение относится к области гидравлики и касается газо-жидкостных машин.

Известна газо-жидкостная машина, содержащая первую емкость, частично заполненную жидкостью, а частично газом, вторую емкость полностью или частично заполненную жидкостью, при этом давление жидкости во второй емкости меньше, чем давление жидкости в первой емкости, к той части первой емкости которая заполнена жидкостью, подключен гидравлический двигатель или иной потребитель данной жидкости, золотник установленный в корпусе, золотник выполнен с возможностью совершать любое периодически повторяющееся движение, например, возвратно-поступательное, внутренней поверхностью золотника или внешней поверхностью поверхности золотника и внутренней поверхностью корпуса, в котором золотник установлен образована камера.

Недостатком данного изобретения является то, что камера золотника служит для соединения между собой двух емкостей, то есть камера золотника одновременно сообщена с обоими емкостями и для непрерывной работы устройства требуется как минимум три емкости одну вторую и две первые.

Технической задачей изобретения является упрощение конструкции уменьшение габаритов и веса.

Указанная техническая задача достигается за счет того, что в известной газо-жидкостной машине имеющей первую емкость, частично заполненную жидкость, а частично газом, имеется вторая емкость, или полностью или частично заполненная жидкостью при этом давление жидкости во второй емкости меньше чем давление жидкости в первой емкости, к той части первой емкости, которая заполнена жидкостью, подключен или гидравлический двигатель или иной потребитель данной жидкости, имеется золотник, установленный в корпусе, золотник выполнен с возможностью совершать любое периодически повторяющееся движение, например, возвратно-поступательное, или внутренней поверхностью золотника или внешней поверхностью золотника и внутренней поверхностью корпуса, в котором золотник установлен образована камера при этом камера выполнена с возможностью поочередного сообщения как с той частью первой емкости, которая заполнена газом, так и с той частью второй емкости, которая заполнена жидкостью.

Кроме того, выход из гидравлического двигателя может быть подключен ко второй емкости.

Кроме того, к первой емкости может быть подключен внешний источник газа.

Кроме того, к той части второй емкости, которая заполнена газом, подключен выходной канал.

На фиг. 1-5 показана газо-жидкостная машина в процессе работы.

Заявляемое решение в варианте двигателя представляет из себя следующее. Имеется первая емкость 1 /фиг. 1-5/, частично заполненная жидкостью 2. К емкости 1, к той ее части, которая заполнена жидкостью, подключен трубопровод 3, другой конец которой подключен к выходу в гидродвигатель 4. Выход из гидродвигателя 4 подключен ко второй емкости 5, заполненной жидкостью 6 (полностью или частично). Имеется золотник 7, состоящий из двух цилиндрических деталей равного диаметра, и соединенных между собой при помощи штока 8, постоянного цилиндрического сечения и имеющего меньший диаметр, чем обе половины золотника 7. Внешняя поверхность золотника 7 и штока 8, и внутренняя поверхность корпуса, в котором золотник 7 установлен (т.е. стенки емкости 1) образуют камеру 9 вполне определенного объема. Золотник 7 может совершать возвратно-поступательные перемещения, и его камера 9 может поочередно сообщаться то с первой емкостью 1, то со второй емкостью 5. При этом когда камера 9 сообщается с емкостью 1, то она находится в той части емкости 1, которая заполнена газом, а камера 9 сообщается с емкостью 5, то она сообщается с той частью емкости, которая заполнена жидкостью. К емкости 1, к той ее части, которая заполнена газом, подключен входной канал 10, служащий для подачи в емкость 1 газа. К емкости 5, к той ее части, которая заполнена газом, подключен выходной канал 11, служащий для удаления газа из емкости 5 в атмосферу.

Заявляемая машина в варианте двигателя работает следующим образом. На жидкость 2 (фиг. 1-5) в емкости 1 действует давление газа. Под действием этого давления жидкость 2 по трубопроводу 3 поступает на вход в гидродвигатель 4, воздействует на его рабочий орган, заставляя его вырабатывать механическую энергию, которая может передаваться потребителю в таком виде, или преобразовывается при помощи электрогенератора в электроэнергию, и передаваться потребителю в таком виде.

Пройдя гидродвигатель 4 жидкость поступает в емкость 5. Давление жидкости 6 в емкости 5 и давление газа на ее поверхности и давление жидкости 6 в емкости на выходе из гидродвигателя 4 меньше, чем давление жидкости 2 в емкости 1 и на входе в гидродвигатель 4, за счет чего и образуется перепад давлений жидкости на рабочий орган гидродвигателя 4, позволяющий вырабатывать механическую энергию. Давление газа на поверхности жидкости 2 в емкости 1 больше, чем давление газа на поверхности жидкости 6 в емкости 5.

В момент, когда золотник 7 своей камерой 9 (фиг. 1) сообщается с емкостью 1, то он находится в той части емкости 1, которая заполнена газом, а следовательно, и камера 9 заполнена газом. В этот момент камера 9 изолирована от емкости 5.

При поступательном перемещении золотника 7 с камерой 9, заполненной газом, от емкости 1 к емкости 5, в определенный момент камера 9 изолируется от емкости 1 (фиг. 2). В этот момент камера 9 также изолирована от емкости 1 (фиг. 2). В этот момент камера 9 также изолирована от емкости 5.

При дальнейшем поступательном движении золотника 7 его камера 9 (фиг. 3) сообщается с емкостью 5, с той ее частью, которая заполнена жидкостью. В этот момент камера 9 изолирована от емкости 1. Газ из камеры 9 поднимается на поверхность жидкости 6 в емкости 5, и далее через выходной канал 11 выбрасывается в атмосферу (показано на фигуре отделкой). Одновременно с этим камера 9 заполняется жидкостью 6, поступающей в нее из емкости 5.

После заполнения камеры 9 жидкостью 6 золотник 7 начинает перемещаться в обратном направлении /в направлении емкости 1/. В определенный момент камера 9 (фиг. 4), заполненная жидкостью, изолируется от емкости 5. В этот момент она также изолирована от емкости 1.

При дальнейшем движении золотника 7 в направлении емкости 1 его камера 8, заполненная жидкостью, сообщается с емкостью 1 ( фиг. 5). Жидкость под действием гравитационной силы (силы тяжести) вытекает из камеры 9 в емкость 1, и одновременно с этим камера 9 заполняется газом из емкости 1. Это возможно потому, что камера 9 сообщается с той частью емкости 1, которая заполнена газом. В этот момент камера 9 изолирована от емкости 5. В дальнейшем жидкость, поступившая из камеры 9 в емкость 1, по трубопроводу 3 вновь поступает на вход в гидродвигатель 4, и в дальнейшем все периодически повторяется.

После того как вся жидкость вытекла из камеры 9, камера 9 вновь заполнена газом. Золотник 7 с заполненной газом камерой 9 начинает перемещаться в обратную сторону в направлении емкости 5 и в дальнейшем все периодически повторяется.

На место удаляемого камерой 9 емкости 1 объема газа в емкость 1 через входной канал 10 поступает новая порция газа, и так все периодически повторяется.

Таким образом, золотник 7 с камерой 9 совершает возвратно-поступательные перемещения, поочередно сообщая камеру 9, то с емкостью 1, то с емкостью 5. При этом при движении от емкости 1 к емкости 5 золотник 7 в камере 9 переносит газ, а при движении в обратном направлении переносит жидкость. Система получается замкнутой в гидравлическом смысле, т.е. сколько жидкости выходит через трубопровод 3 из емкости 1, столько же ее и поступает при помощи камеры 9 в емкость 1. При этом золотник 7 и камера 9 имеют такую форму, что на них не действует давление газа в емкости 1 и давление жидкости в емкости 5, т. е. эти давления не препятствуют возвратно-поступательному перемещению золотника 7. К золотнику 7 необходимо будет прикладывать только силу, обусловленную инерционной массой золотника 7 и газа или жидкости в камере 9, а также силами трения, возникающими в зоне контакта золотника 7 с корпусом, в котором он установлен.

Что касается возможности использования заявляемого решения в варианте двигателя в системе ожижения газов (криогенные системы), то оно может быть использовано в таком виде, что и показано на фиг. 1-5. Единственным отличием будет то, что ожижаемый газ при поступлении из камеры 9 золотника 7 в емкость 5 превращается в жидкость, т.к. его давление и температура уменьшается. При этом плотность сжиженного газа должна быть меньше (или больше), чем плотность жидкости, циркулирующей через трубопровод 3 и гидродвигатель 4 (циркуляционная жидкость) для того, чтобы можно было разделить сжиженный газ и циркуляционную жидкость. Образовавшаяся жидкость (сжиженный газ) поднимается на поверхность циркуляционной жидкости в емкость 5, и далее собирается любым возможным образом, например, откачивается насосом т.к. слой сжиженного газа будет иметь вполне определенную толщину, и отправляется потребителю. Одновременно с этим камера 9 золотника 7 заполняется циркуляционной жидкостью. В остальном все происходит аналогично рассмотренному выше случаю. В этом варианте входной канал 10 подключен к выходу из компрессора криогенной системы.

Таким образом, применяя заявляемое решение в криогенной системе получаем механическую энергию при помощи гидродвигателя 4, в то время как у существующих криогенных систем энергия сжатого газа теряется безвозвратно (без совершения работы) в дроссельном вентиле.

Заявляемое решение может быть использовано в варианте двигателя как под давлением, так и в качестве самостоятельной энергетической установки.

Заявляемое решение может быть использовано в качестве насоса, служащего или подачи жидкости. В этом варианте исполнения в схеме, указанной на фиг. 1-5 будет отсутствовать гидродвигатель 4. При этом трубопровод 3 и емкость 5 могут быть выполнены как замкнутыми, так и разомкнутыми в гидравлическом отношении.

Возможен вариант исполнения заявляемого решения, когда в момент, когда камера 9, заполненная газом и изолированная от емкостей 1 и 5 (фиг. 2), соединяется любым возможным образом (например, при помощи клапана) с газовым двигателем (поршневым, турбиной и т.п.). Газ выходит из камеры 9 в газовый двигатель, тем самым совершается работа. При этом давление газа в камере 9 уменьшается. В определенный момент клапан закрывается и камера 9 изолируется от газового двигателя. В дальнейшем все происходит аналогично, рассмотренному выше случаю. В этом варианте исполнения получается дополнительная механическая энергия за счет работы, совершаемой сжатым газом в газовом двигателе.

Возможен вариант исполнения заявляемого решения, отличающийся от рассмотренного выше тем, что из камеры 9 выходит в газовый двигатель объемного типа, например, поршневой. В момент, когда поршень газового двигателя находится в нижней мертвой точке (НМТ) камера 9 изолируется от газового двигателя. При движении поршня газового двигателя от НМТ к верхней мертвой точке /ВМТ/ он сжимает поступивший из камеры 9 газ до давления, до которого хватает энергии, запасенной маховиком при движении поршня от ВМТ к НМТ в момент расширения газа в газовом двигателе. В этом варианте газовый двигатель играет роль своеобразного аккумулятора, позволяющего уменьшить расход газа через емкость 5, а следовательно, повысить экономичность двигателя т.к. расход жидкости через гидродвигатель 4 не изменился, а следовательно, не изменилась и вырабатываемая ГД 4 механическая энергия, в то время как расход газ уменьшился. Конечно, давление сжатого газовым двигателем газа будет меньше, чем давление газа в емкости 1 к камере 9 из-за разного рода потерь - механических, термических, гидравлических.

Камера 9 золотника 7 может быть образована как внешней поверхностью золотника 7 и внутренней поверхностью корпуса, в котором золотник 7 установлен, так и только внутренней поверхностью золотника, или любым иным способом.

Золотник 7 может совершать любое, периодически повторяющееся движение: возвратно-поступательное, вращательное и др.

Возможен вариант исполнения заявляемого решения (при его использовании в системе ожижения газа), когда в качестве жидкости, создающей напор на входе в гидродвигатель 4 используется сжиженный газ, получаемый в данной системе ожижения.

В заявляемом решении уровень поверхности жидкости в первой емкости может быть, и/или ниже, или выше, или на одном уровне, с уровнем поверхности жидкости во второй емкости (при образовании поверхности жидкости в емкостях как за счет действия на жидкость гравитационной силы, так и при действии на жидкость центробежной силы, в последнем случае вся газо-жидкостная машина выполнена вращающейся вокруг некоторой оси, а емкости с жидкостями находятся на некотором расстоянии от оси вращения).

Возможен вариант работы заявляемого решения, когда газ из камеры, образованной внешней поверхностью золотника и внутренней поверхностью корпуса, в котором золотник установлен, не весь поступает из первой емкости во вторую емкость. В этом случае в момент, когда камера золотника, заполненная газом и изолированная как от первой емкости, так и от второй емкости, сообщается любым возможным способом, например, при помощи клапана, с внешним потребителем газа. Газ из камеры поступает потребителю, и в определенный момент клапан изолирует камеру от потребителя. В дальнейшем камера золотника с оставшимся в ней газом перемещается в сторону второй емкости и сообщается с ней. В дальнейшем все происходит аналогично, рассмотренному выше варианту работы заявляемого решения.

Заявляемое решение при использовании его в качестве самостоятельной энергетической установки может получать газ под определенным давлением, поступающий в первую емкость, который может представлять собой или продукты сгорания топлива, или пар, получаемый при испарении жидкости в парогенераторе.

Возможен вариант работы заявляемого решения, когда вся емкость 1 и частично камера 9 золотника 7 (показанная на фиг. 1 в первоначальных материалах заявки) заполнены жидкостью 2. В оставшееся не заполненным жидкостью 2 пространством камеры 9 через выходной канал 10, который может быть расположен как в том месте, которое показано на фиг. 1, так и в том месте камеры 9, незаполненным жидкостью 2 в обоих случаях входной канал 10 подключен к емкости 1 подается газ, имеющий вполне определенное давление, большее, чем давление газа в емкости 5. В определенный момент времени входной канал 10 и часть камеры 9, заполненная газом, изолируется друг от друга (например, при помощи клапана). Газ в камере 9 начинает расширяться, вытесняя жидкость 2 из камеры 9 в емкость 1, и далее по трубопроводу 3 на вход в гидравлический двигатель 4, и далее в емкость 5. Таким образом, гидравлическим двигателем 4 вырабатывается механическая энергия.

В момент времени, когда вся камера 9 и часть емкости 1 освободится от жидкости 2, золотник 7 с камерой 9, заполненной газом, начинает перемещаться в сторону емкости 5. При дальнейшем движении золотника 7 его камера 9 сообщается с емкостью 5 и газ из камеры 9 выходит в емкость 5, одновременно камера 9 наполняется жидкостью 6 из емкости 5. В емкость 1, заполненной газом, все это время идет расширение газа давление газа в момент времени, когда камера 9 золотника 7 изолировалась от емкости 1, было еще выше, чем давление газа в емкости 5, а следовательно, все это время гидравлический двигатель 4 вырабатывает механическую энергию.

Заполненная жидкостью камера 9 начинает перемещаться от емкости 5 к емкости 1, и в определенный момент она сообщается с емкостью 1 и жидкость из камеры 9 вытекает (за счет действия на жидкость гравитационной силы) в емкость 1. После этого в пространство камеры 9, заполненное газом, подается через входной канал 10 новая порция газа, и в дальнейшем все периодически повторяется.

В данном варианте работы заявляемого решения получается больше механической энергии, чем в случае рассмотренном выше, за счет большего расширения газа в емкости 1. Все время, когда золотника 7 с камерой 9 совершает перемещения от емкости 1 к емкости 5 и обратно, в емкости 1 идет процесс расширения газа то есть, жидкость продолжает непрерывно поступать на вход в гидравлический двигатель 4 за все время работы заявляемого решения происходит лишь колебание (циклическое) давление жидкости на его входе.

Использование: в качестве двигателя или насоса. Сущность: в варианте двигателя оно представляет из себя две емкости, частично заполненные жидкостью. К первой емкости подключен гидравлический двигатель (ГД), к выходу из которого подключена вторая емкость. Давление жидкости в первой емкости выше, чем давление жидкости во второй емкости, следовательно, на рабочем органе ГД будет существовать перепад давлений, позволяющий вырабатывать механическую энергию. Имеется также золотник с камерой, совершающий периодически повторяющееся движение, например, возвратно-поступательное. Камера золотника поочередно сообщается то с первой, то со второй емкостями. Причем при движении от первой емкости ко второй емкости камеры золотника переносит газ, а при движении в обратном направлении - переносит жидкость. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Газожидкостная машина имеет первую емкость, частично заполненную жидкостью, а частично газом, имеется вторая емкость, или полностью или частично заполненная жидкостью, при этом давление жидкости во второй емкости меньше, чем давление жидкости в первой емкости, к той части первой емкости, которая заполнена жидкостью, подключен или гидравлический двигатель, или иной потребитель данной жидкости, имеется золотник, установленный в корпусе, золотник выполнен с возможностью совершать любое периодически повторяющееся движение, например возвратно-поступательное, или внутренней поверхностью золотника, или внешней поверхностью золотника и внутренней поверхностью корпуса, в котором золотник установлен, образована камера, отличающаяся тем, что камера выполнена с возможностью поочередного сообщения как с той частью первой емкости, которая заполнена газом, так и с той частью второй емкости, которая заполнена жидкостью. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что выход из гидравлического двигателя подключен к второй емкости. 3. Машина по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что к первой емкости подключен внешний источник газа. 4. Машина по пп.1 3, отличающаяся тем, что к той части второй емкости, которая заполнена газом, подключен выходной канал.