ПОРШНЕВАЯ МАШИНА Российский патент 1998 года по МПК F01B11/08 F04B31/00 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при проектировании поршневых машин, например компрессоров, насосов или двигателей.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является поршневой вакуум-насос с возвратно-поступательно движущимся поршнем, который содержит поршень, изготовленный в виде твердого тела и помещенный в цилиндр, заполненный жидкостью с обеих сторон поршня; цилиндр сообщен с двумя полостями, которые частично заполнены жидкостью, а частично газом, в полостях установлены впускные и выпускные окна с клапанами. Поршень в цилиндре может совершать возвратно-поступательные перемещения, следовательно, в полостях периодически будет происходить колебание уровня поверхности жидкости (объем, занимаемый газом в полостях, будет периодически изменяться), что и используется для протекания процессов впуска и сжатия газа в полостях (Тетерюков В. И. Ротационные вакуум-насосы и компрессоры с жидкостным поршнем. М.: Машгиз, 1960, с. 16-18).

Недостаток данного вакуум-насоса - невысокая частота рабочих циклов в единицу времени, что происходит из-за того, что при возвратно-поступательном движении жидкости в полостях (жидкость в них играет роль поршней) поверхность жидкости разрыхляется (при достижении определенного значения частоты рабочих циклов) и образуется эмульсия (смесь жидкости и газа). При обратном ходе поршня газ, находящийся в эмульсии, расширяясь, препятствует всасыванию свежей порции газа.

Задачей изобретения является создание поршневой машины с высокой частотой рабочих циклов, что обеспечивает высокий КПД, в том числе и изотермический.

Задача изобретения решается тем, что поршневая машина в варианте компрессора состоит из рабочего цилиндра (любой приемлемой формы) с впускным и выпускным окнами. В выпускном окне установлен клапан, отрегулированный на определенное давление газа.

К рабочему цилиндру периодически может подключаться выход из роторной машины, за счет вращения ротора сообщающей жидкости определенную скорость. К входу в роторную машину подключен резервуар с жидкостью. В этой части рабочего цилиндра, к которой подключено выходное окно, имеется сборник жидкости. Сборник жидкости подключен к резервуару с жидкостью.

Таким образом, поршневая машина в варианте компрессора получается замкнутой в гидравлическом отношении.

На фиг. 1-4 изображена предлагаемая поршневая машина в варианте компрессора.

На фиг. 1 показан момент работы компрессора, когда периферийная часть ротора 7 сообщена с рабочим цилиндром 1, и жидкость из полости ротора 7 поступает в рабочий цилиндр 1.

На фиг. 2 показан момент работы компрессора, когда периферийная часть ротора 7 изолирована от рабочего цилиндра 1, а в рабочем цилиндре 1 с определенной скоростью движется жидкостный поршень 10' (по направлению к выходному окну 2).

На фиг.3 показан момент работы компрессора, отличающийся от показанного на фиг.2 тем, что жидкостный поршень 10' продолжает свое движение в рабочем цилиндре 1 в направлении выходного окна 2. При этом клапан 3 открыт и сжатый газ из рабочего цилиндра 1 через выходное окно 2 поступает потребителю.

На фиг.4 показан момент работы компрессора, отличающийся от показанного на фиг.3 тем, что жидкостный поршень 10' подошел к сборнику жидкости 4, при этом его скорость уменьшилась до нуля, а со стороны входа в рабочий цилиндр 1 начал свое движение новый жидкостный поршень 10" (в направлении выходного окна 2).

В одном из возможных вариантов исполнения поршневая машина в варианте компрессора представляет собой следующее. Имеется рабочий цилиндр 1, имеющий круглое поперечное сечение, с выпускным окном 2 и установленным на входе в него клапаном 3 (отрегулированным на определенное давление газа). В этой части рабочего цилиндра 1, где к нему подключено выходное окно 2, имеется сборник поршней 4. К сборнику 4 подключен резервуар с жидкостью 5. Выход из резервуара 5 подключен к трубопроводу 6, другой конец которого подключен к ротору 7, служащему направляющим устройством. Ротор 7 концентрически установлен в цилиндрическом корпусе 8 и представляет собой цилиндрическую полость, заполненную жидкостью и расположенную радиально (по отношению к оси вращения ротора 7). В торцовой крышке корпуса 8 размещено входное окно 9. Периферийная часть корпуса 8 и рабочий цилиндр 1 сообщены между собой. В рабочем цилиндре 1 находятся жидкостные поршни 10' и 10". Ротор 7 вращается вокруг своей оси с некоторой угловой скоростью ω.

Поршневая машина в режиме компрессора работает следующим образом. Ротор 7 вращается с некоторой угловой скоростью ω. Зазор между периферией ротора 7 и внутренней поверхностью корпуса 8 уплотняется при помощи кольца (условно не показано) для того, чтобы жидкость не вытекала из полости ротора 7.

При подходе периферии ротора 7 к месту сообщения корпуса 8 с рабочим цилиндром 1 полость ротора 7 сообщается с рабочим цилиндром 1 и жидкость из полости ротора 7 с определенной скоростью (равной окружной скорости периферии ротора 7) поступает в рабочий цилиндр 1. В данный момент времени клапан 3 закрыт и рабочий цилиндр 1 изолирован от выходного окна 2, а, следовательно, и от потребителя газа (фиг.1).

При дальнейшем вращении ротора 7 его периферийная часть проходит участок сообщения периферии корпуса 8 с рабочим цилиндром 1. При этом полость ротора 7 изолируется от рабочего цилиндра 1 (из нее перестает поступать жидкость в рабочий цилиндр 1). На место удаленной в полость ротора 7 из резервуара 5 через трубопровод 6 поступает новая порция жидкости. В этот момент в рабочем цилиндре 1 по направлению к выходному окну 2 с определенной скоростью движется жидкостный поршень 10', сформированный из порции жидкости, поступающей в рабочий цилиндр 1 из полости ротора 7. При этом рабочий цилиндр 1 получается изолированным от входного окна 9. Клапан 3 по-прежнему закрыт. Следовательно, объем, занимаемый газом в рабочем цилиндре 1, уменьшается, а давление газа, следовательно, увеличивается. В рабочий цилиндр 1 с другой стороны поршня 10' начинает поступать через входное окно 9 новая порция газа от внешнего источника (фиг.2).

В следующий момент времени ротор 7 продолжает свое вращение с угловой скоростью ω. Полость ротора 7 полностью заполнена жидкостью, поступившей в нее из резервуара 5. Жидкостный поршень 10' продолжает свое движение в рабочем цилиндре 1 (по направлению к выходному окну 2). Давление газа в цилиндре 1 достигает такой величины, что открывается клапан 3 и сжатый газ из рабочего цилиндра 1 через выходное окно 2 начинает вытесняться движущимся поршнем 10' потребителю. В рабочий цилиндр 1 с другой стороны поршня 10' продолжает поступать новая порция газа через входное окно 9 от внешнего источника газа. Скорость движения поршня 10' от момента его входа в рабочий цилиндр 1 и до его подхода к сборнику 4 постепенно замедляется, так как на поршень 10' действует все возрастающее давление газа в рабочем цилиндре 1 (фиг. 3).

В следующий момент времени, когда жидкостный поршень 10' подходит к сборнику 4, его скорость уменьшается до нуля. В этот же момент на вход в рабочий цилиндр 1 поступает новая порция жидкости (из полости ротора 7), образовавшая собой жидкостный поршень 10" (фиг.4).

В следующий момент времени жидкостный поршень 10' поступает в сборник 4, а жидкостный поршень 10" продолжает свое движение в рабочем цилиндре 1 в направлении выходного окна 2, по ходу сжимая поступивший в рабочий цилиндр 1 газ. При этом давление в рабочем цилиндре 1 уменьшится, так как в него поступил газ от внешнего источника, имеющий более низкое давление, чем давление газа в конце сжатия его поршнем 10', причем настолько, что клапан 3 закроется, и рабочий цилиндр 1 изолируется от выходного окна 2 (от потребителя). В дальнейшем все периодически повторяется.

Во время работы компрессора сколько жидкости в виде жидкостного поршня 10' поступает в сборник 4, столько же ее из него поступает в резервуар 5 и далее вновь в полость ротора 7.

Таким образом, из полости ротора 7 периодически с определенной скоростью в рабочий цилиндр 1 поступает определенный объем жидкости и в виде жидкостного поршня 10' движется в нем, по ходу сжимая находящийся там газ. Дойдя до сборника жидкости 4, жидкостный поршень 10' полностью теряет свою скорость и поступает в сборник 4. Далее через резервуар 5 и трубопровод 6 поршень 10' поступает вновь на вход в полость ротора 7. В это же время на вход в рабочий цилиндр 1 поступает новый жидкостный поршень 10". В дальнейшем все периодически повторяется.

Таким образом, в заявляемом компрессоре поршни в рабочем цилиндре движутся только в одном направлении. С одной стороны поршня сжимается газ, а с другой стороны поршня в рабочий цилиндр от внешнего источника поступает новая порция газа. То есть, процессы сжатия и впуска идут параллельно во времени (одновременно), что благоприятно сказывается на качестве наполнения рабочего цилиндра новой порцией газа. Все это повышает производительность компрессора (при прочих равных условиях) по сравнению с существующими поршневыми компрессорами. При этом во входном и выходном окнах компрессора не обязательно требуется установка клапанов, что может упростить устройство компрессора.

Описанный компрессор "безразличен" к жидкости. Следовательно, в нем можно организовать впрыск жидкости внутрь рабочего цилиндра (например, от сборника 4 в направлении продольной оси рабочего цилиндра 1, навстречу движущемуся поршню 10'). Это будет способствовать приближению процесса сжатия газа к наиболее экономичному процессу - к изотермическому (процессу сжатия при постоянной температуре). То есть заявляемый компрессор будет иметь более высокий изотермический КПД, а, следовательно, меньшие удельные затраты мощности по сравнению с существующими поршневыми компрессорами. При этом жидкость в полость ротора 7 может поступать из иного источника, а жидкость из сборника 4 может поступать иным потребителям. Степень сжатия в компрессоре можно изменять, изменяя скорость поршня, массу и плотность жидкости.

Формированию жидкостного поршня в рабочем цилиндре будет способствовать то обстоятельство, что часть жидкости, поступившей в рабочий цилиндр (из полости ротора) ранее, будет воспринимать все возрастающее давление газа в рабочем цилиндре, а, следовательно, первой будет притормаживаться. Последующая часть жидкости, нагоняя первую часть жидкости, способствует формированию жидкостного поршня требуемой формы.

Возможно такое конструктивное исполнение заявляемого компрессора, когда он имеет несколько аналогичных рабочих цилиндров, расположенных в радиальном направлении. В центральной части размещена вращающаяся емкость (с жидкостью) с прикрепленным к ней соплом, из которого непрерывно истекает жидкость. По мере своего вращения сопло последовательно проходит все входы в рабочие цилиндры, впрыскивая в каждый из них определенный объем жидкости.

В более общем плане для сообщения жидкости, которая затем используется в качестве поршня, определенной скорости может быть использовано абсолютно любое устройство (роторная машина, поршневой насос, использование электрических или магнитных сил и др.).

В качестве поршня в заявляемой поршневой машине может быть использована текучая среда (жидкость, мелкодисперсное твердое тело и др.) или твердое тело определенной формы (например, в форме шара). Во втором случае конструкция заявляемой поршневой машины та же, что и при поршне в виде текучей среды (жидкости).

Поршень в заявляемой машине при подходе к сборнику жидкости (сборнику поршней) может полностью терять свою скорость или же иметь некоторую скорость (незначительную).

Резервуара 5 может и не быть. В этом случае сборник 4 будет подключен непосредственно (или при помощи трубопровода 6) к входу в полость ротора 7.

Заявляемая машина может также работать и в варианте двигателя. В этом случае при подходе поршня к зоне выходного окна 2 в объем сжатого газа впрыскивается топливо и происходит процесс его сгорания. В дальнейшем поршень движется со все возрастающей скоростью в обратном направлении. При этом в данный момент времени рабочий цилиндр 1 изолируется от цилиндрического корпуса 8, в котором установлен ротор 7. Поршень по специальному каналу поступает и/или на вход в двигатель, преобразующий кинетическую энергию движущегося поршня в механическую энергию (например, на вход в ковшовую турбину), или выбрасывается в окружающую среду, создавая тем самым реактивную тягу. Во втором случае поршневая машина используется в качестве пульсирующего реактивного двигателя (в качестве движителя). В дальнейшем все периодически повторяется.

Вход в рабочий цилиндр, к которому подключено устройство, сообщающее поршню определенную скорость, при использовании в качестве поршня текучей среды может иметь постепенно сужающуюся форму. Это будет способствовать формированию поршня требуемой формы.

Поршневая машина в варианте двигателя и насоса может быть использована в различных отраслях промышленности, на объектах, размещенных как на Земле, так и в космосе (в невесомости).

Использование: в машиностроении при проектировании поршневых машин, компрессоров, насосов и двигателей. Сущность изобретения: машина содержит рабочий цилиндр, к которому подключены входное и выходное окна. К входу в рабочий цилиндр подключен выход из устройства, служащего для сообщения определенному объему жидкости, который выполняет функции поршня, определенной скорости. К зоне рабочего цилиндра, в которой расположено выходное окно, подключен сборник жидкости, выход из которого подключен к входу в устройство, служащее для сообщения поршню определенной скорости. 1 с. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Поршневая машина, содержащая по меньшей мере один рабочий цилиндр с входным и выходным окнами для перекачиваемой среды, по меньшей мере один поршень, свободно расположенный с возможностью движения вдоль цилиндра, направляющее устройство для привода поршня и сборник поршней, подключенный к цилиндру, отличающаяся тем, что направляющее устройство выполнено с возможностью периодического сообщения с цилиндром и с возможностью периодического расположения в нем по меньшей мере одного поршня, поршень выполнен с возможностью движения вдоль цилиндра только в одном направлении. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что сборник поршней подключен к цилиндру в зоне его выходного окна для перекачиваемой среды. 3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что направляющее устройство выполнено в виде полого ротора, установленного с возможностью вращения. 4. Машина по п.1, отличающаяся тем, что сборник поршней подключен к направляющему устройству. 5. Машина по п.1, отличающаяся тем, что поршень выполнен в виде профилированного твердого тела. 6. Машина по п.1, отличающаяся тем, что поршень выполнен в виде фиксированного объема текучей среды. 7. Машина по п.6, отличающаяся тем, что текучей средой служит жидкость. 8. Машина по п.6, отличающаяся тем, что текучей средой служат частицы твердого сыпучего материала. 9. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена устройством для распыления текучей среды в полости цилиндра.