ГЕНЕРАТОР РАСХОДА РАБОЧЕЙ СРЕДЫ Российский патент 1999 года по МПК G01F25/00 

Изобретение относится к устройствам для создания расхода рабочего тела или побудителя движения рабочей среды (жидкости, газа, газожидкостной, парожидкостной или парогазовой смеси), в частности к установкам для градуировки расходомеров и счетчиков количества (в том числе методом сличения).

Более конкретно данное изобретение относится к установкам с объемными машинами, создающими беспульсационный поток рабочей среды (PC) в замкнутом или разомкнутом контуре (схема с открытым баком), а также к устройствам, преобразующим энергию сжатой PC (жидкости, газа, газожидкостной, парожидкостной или парогазовой смеси) в механическую, электрическую или другой вид энергии или, наоборот, и в частности, для преобразования тепловой энергии в механическую.

Наиболее эффективно изобретение может использоваться в качестве контактного генератора расхода рабочей среды (ГРС) при создании больших потоков жидкости или газа, в частности при градуировке расходомеров с большими условными проходами D_у методом сличения (с образцовыми или ранее проградуированными эталонными расходомерами), а также в двигателях с внешним (ДВТП) или внутренним (ДВС) подводом тепла, работающих по циклу Стирлинга или по другим циклам (в том числе и циклам, близким к циклам Карно), в том числе по циклам, на которых работают широкораспространенные бензиновые и дизельные двигатели.

Известна универсальная (на жидкость и газ) высокоточная установка (а. с. СССР N 802869, C 01 N 33/28, 1981) с последовательно установленными расходомерами, выполненная по разомкнутой схеме. Установка может работать как по классическому методу, так и по методу сличения. Недостатком такой системы является сложность конструкции и громоздкость при создании генераторов PC больших расходов.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является генератор расхода рабочей среды, используемый в установке для градуировки расходомеров (Бирюков Б.В. и др. Средства испытаний расходомеров. Выпуск 638. М, "Энергоатомиздат", 1983, с. 10-18, рис. 8).

Недостатками известного генератора (обычно центробежного или шестеренного типов) являются большие затраты приводной мощности, пульсация рабочей жидкости (РЖ), что приводит к необходимости ставить сложные успокоительные системы (как правило с разделительной диафрагмой), возможность появления кавитационных явлений в гидросистеме, что искажает достоверность результатов градуировки.

Технический результат, создаваемый изобретением, состоит в создании генератора расхода рабочей среды, лишенного вышеуказанных недостатков, а именно: обладающего высоким КПД, большим диапазоном частот вращения, минимальными потерями при страгивании с места, возможностью работы на различных РС, а также простой конструкцией.

Указанный технический результат достигается тем, что в генераторе расхода рабочей среды, используемом, в частности, при градуировке расходомеров и счетчиков количества, содержащем объемный агрегат, который работает в режиме насоса, и вспомогательный насос, соединенный посредством напорного и всасывающего трубопроводов с низконапорным и высоконапорным трубопроводами, содержится объемный агрегат, работающий в режиме потребления расхода, соединенный с объемным агрегатом, работающим в режиме насоса, посредством низконапорного и высоконапорного трубопроводов и связанный с ним валом, при этом соотношение рабочего объема объемного агрегата, работающего в режиме насоса и рабочего объема объемного агрегата, работающего в режиме потребления расхода, выбирается в пределах.

причем в качестве одного или всех объемных агрегатов и вспомогательного насоса применены беспульсационные роликолопастные машины, а в напорном трубопроводе между агрегатами может быть установлен нагреватель (или теплообменник), а в трубопроводе низкого давления может быть установлен холодильник.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1, 2 показана принципиальная схема двигателя с внешним подводом теплоты (ДВТП);
на фиг. 3, 4, 5, 6, 7, 8 показаны принципиальные конструктивные схемы агрегатов ГРС ролико-лопастного типа (поперечные разрезы)
Агрегаты ГРС и ДВТП (каждый по отдельности или вместе) могут быть установлены в капсулу (на фиг. не показана), которая служит не только для увеличения уровня рабочего давления, но и для обеспечения лучшей герметичности и многофункциональности работы устройства.

Капсула может быть напрессована на корпусные детали и в ней могут быть выполнены кольцевые каналы подвода и отвода рабочей среды с каналами гидроразгрузки роликов.

Установка для градуировки расходомеров (фиг. 1) содержит агрегат 1, работающий в режиме насоса, и работающий в режиме потребителя расхода агрегат 2 (расходомер или счетчик количества), соединенные между собой муфтой или валом 3. Насос 1 и расходомер 2 соединены между собой низконапорным трубопроводом 4 и высоконапорным трубопроводом 5. В трубопроводе 5 может быть установлен градуируемый методом сличения расходомер 6 (один или несколько), за которым к трубопроводу 7 может быть подключен аккумулятор рабочей среды 8. К трубопроводу 7 подключен напорный трубопровод 9, а к трубопроводу 4 подключен всасывающий трубопровод 10, идущие от вспомогательного насоса 11, который может приводиться от вспомогательного двигателя 12 через муфту (магнитного или др. типа) 13. Манометры 14 и 15 присоединены соответственно к трубопроводам 4 и 7.

Рабочий объем V_о насоса 1 и рабочий объем потребителя расхода 2 (мотора) выбираются в следующих соотношениях:

Двигатель с внешним подводом тепла (фиг. 2), кроме перечисленных выше элементов (см. описание фиг. 1), содержит нагреватель 16, газификатор 17, сливной трубопровод 18, холодильник 19, дренажные трубопроводы 20, аккумулятор рабочей среды 8.

Система, содержащая агрегат 1 и связанный с ним элементом 3 агрегат 2, приводит во вращение генератор нагрузки 12 (электрогенератор, насос, движитель колес транспортного средства и т. п.) через соединительную муфту 13 (магнитного или др. типа).

На фиг. 3, 4, 5, 6 представлены различные конструктивные схемы агрегатов ГРС ролико-лопастного типа (двух и четырехроликовых) с передаточными числами и зубчатого механизма синхронизации (на фигурах не показан ) 2:1; 3:2; 4:2; 6:2.

Агрегат ГРС (фиг. 6) состоит из статора 21, ротора 22 с лопастями 23. В статоре 1 выполнены одно, два или более цилиндрических отверстий, в которых размещены ролики-разделители 24 с пазами 25 для свободного пропускания лопастей ротора 23.

В статоре 21 выполнены каналы 26 и 27, предназначенные соответственно для подвода и отвода рабочей среды (жидкости, газа, паро- или газожидкостной смеси).

На фиг. 7 представлен агрегат ГРС ролико-лопастного типа, содержащий статор 28, обойму 29, насаженную на кривошип 30 коленчатого вала. 3ксцентриситет "e" кривошипа 30 подбирается так, чтобы обеспечить качение наружной цилиндрической поверхности диаметра D обоймы 29 по внутренней цилиндрической поверхности статора 28 диаметра D_о. Между обоймой 29 и кривошипом 30 устанавливается подшипник 31 (качения или скольжения). В статоре 28 выполнено одно или несколько цилиндрических отверстий, в которых размещены ролики 32 снабженные продольными пазами, в которых располагаются заслонки 33 плоского типа с цилиндрическими опорными поверхностями 34 опирающимися на обойму 29.

В роликах 32 выполнены каналы 35 и 36 для устранения защемления рабочей среды (рабочего тела). В отверстиях под ролики 32 могут быть выполнены карманы 37 и 38 и боковые карманы 39 и 40, которые каналами 41, 42 и 43 могут быть соответственно соединены между собой (для обеспечения разгрузки от сил трения). В свою очередь, аналогично, карманы 44 и 45, выполненные в обойме 29, могут быть соединены каналами 46 с полостями 47 и 48 подвода и отвода рабочей среды. С полостями 47, 48, 49, 50 подвода и отвода рабочей среды соответственно соединены каналы 51, 52, 53, 54 подвода (Р) и отвода (Т) рабочей среды, которые в свою очередь связаны с распределителем (торцевого, цапфенного, золотникового или др. типа - на фиг. не показан).

На фиг. 8 представлено 2-х роликовое исполнение агрегата ГРС, содержащего статор 54 обойму 55, коленвал 56, два ролика 57 и две заслонки 58.

Генератор расхода рабочей среды (см. фиг. 1) согласно изобретению работает следующим образом: PC (рабочее тело) от вспомогательного насоса 11, приводимого от вспомогательного двигателя 12, по трубопроводу 9 поступает в трубопровод 7 и приводит за счет разности и во вращение систему: агрегат 1 - побудитель расхода, работающий в режиме насоса и агрегат 2 - потребитель расхода (работающий в режиме мотора). Желательно, чтобы агрегаты 1 и 2 имели небольшой перепад давления страгивания с места. По трубопроводам 5, 7 и 4 начинает циркулировать рабочая среда (рабочее тело). В качестве PC может использоваться жидкость, газ, пар, газожидкостная смесь, парогазовая смесь или вспененная жидкость. Один или все агрегаты 1 и 2 и насос 11 с рабочим объемом предварительно градуируются, а по микрометражу трех основных размеров роторов каждого из них определяются соответственно их рабочие объемы V_о.

Баланс расхода замкнутой (без наружных утечек) системы в этом случае выражается уравнением:
Q_н + Q_в = Q_м;

где Q - расходы соответствующих агрегатов;
n_с - частота вращения связанной системы роторов агрегатов 1 и 2;
n_в - частота вращения ротора вспомогательного насоса 11.

3ная Q_н, можно отградуировать испытуемый расходомер 6. По известным методикам методом сличения может градуироваться один (или несколько) расходомеров 6. Если установить за или перед градуируемым расходомером 6 плотномер (на фиг. 1 не показан), можно определить не только объемный, но и массовый расход или количество PC.

В режиме образцового расходомера может работать как агрегат 1, так и агрегат 2, а также образцовый расходомер 6, а сличаемые один или несколько расходомеров устанавливают за или перед расходомером 6 соответственно в трубопроводах 5 или 7.

Давление в системе можно регулировать подкруткой винта, действующего на пружину поршня аккумулятора 8 или другим способом. При этом величина давления в круге циркуляции и соответствующих трубопроводах контролируется манометрами 14 и 15. С помощью аккумулятора 8 можно определить содержание и величину растворенного и нерастворенного любого газа (в т.ч. воздуха) в рабочей жидкости.

Схема может стать разомкнутой, если трубопровод 4 соединить с баком (на фиг. не показан). Циркуляцию PC можно обеспечить и другим способом. На фиг. 2 показана схема генератора PC для градуировки расходомеров, который может работать без вспомогательного насоса 11 (см. фиг. 1) за счет нагрева PC нагревателем 6. В этом случае циркуляция PC осуществляется за счет одновременного вращения системы соединенных между собой агрегатов 1 и 2 вследствие расширения PC в нагревателе 16 и последующего сжатия ее в холодильнике (охладителе) 19 или в баке (на фиг. 2 не показан), если применить открытую схему.

Экспериментально и теоретически установлено, что оптимальным соотношением рабочих объемов V_о для расходомерной схемы (фиг. 1 и 2) является следующая зависимость:

Соответственно выбирается вспомогательного насоса 11, т.е.

Чем меньше давление страгивания с места одного или двух агрегатов 1 и 2 (например, если давление страгивания с места Δp страг. каждого из агрегатов составляет величину порядка 0,001...0,010 кГс•см² или 10...100 мм водяного столба), то система будет вращаться, даже если выбрано по верхнему пределу, т. е. если . И наоборот, если агрегаты изготовлены некачественно и имеют Δp страг. = 0,1...0,5 кГс•см^-2, надо выбирать по нижнему пределу, т.е. .

Работа такой системы экспериментально проверена в МИИТе (г. Москва) на агрегатах с рабочими объемами = 1800 см³•об^-1 и = 2000 см³•об^-1.

Применение прелагаемого ГРС позволяет значительно упростить, удешевить и снизить массу стендовых установок для градуировки расходомеров и счетчиков количества, особенно с большими D_у.

Генератор расхода рабочей среды (жидкости или газа), представленный на фиг. 2, может работать также в качестве двигателя с внешним подводом тепла (ДВТП) или двигателя внешнего или внутреннего сгорания, а также в качестве холодильной машины, кондиционера, теплового насоса и т.п.

В качестве источника подводимой теплоты (нагревателя 16) может быть использовано тепло от атомного генератора, тепловыделяющих элементов (ТВЭлов), от любых других источников тепла (костра, печи, сжигаемых нефте- и газопродуктов и т.п.), внутреннего тепла планет (в частности Земли), тепла солнечной энергии, тепла тела человека или другого животного существа и т.д. ГРС может также потреблять даровую энергию от перепада температур ( Δt ) вод термальных источников, воды мирового океана и других водоемов, перепада Δt воздуха (печная труба, дымоход), газов или различных жидкостей, а также газожидкостных смесей и преобразовывать ее в механическую (например, для привода колес автомобилей и других транспортных средств), гидравлическую, пневматическую, электрическую и др. виды энергии.

ГРС могут применяться в циркуляционных контурах ядерных реакторов и атомных установках, используя тепло, вырабатываемое при ядерной или термоядерной реакции.

В нагревателе 16 PC (рабочее тело), нагреваясь, расширяется и приводит в движение систему: агрегат (мотор) 2 - агрегат (насос) 1, после чего начинается циркуляция PC в контуре.

Полезная мощность снимается с генератора нагрузки 12 через связанную с общим вращающимся валом системы соединительную муфту 13.

В качестве рабочих тел (PC) могут быть применены различные жидкости, газы, газожидкостные смеси, парогазовые смеси, вспененные жидкости, жидкие металлы (натрий, калий, ртуть и др.).

Наиболее целесообразно применять жидкость с малой теплоемкостью и высоким коэффициентом объемного расширения (например: тосол, глицерин, незамерзающие спиртоглицериновые смеси, фреон, ацетон, толуол, эфир и т.п.) и газы: аммиак, водород, гелий, углекислый газ и др. газы.

Для увеличения эффективности ДВТП и частоты вращения ротора системы в трубопровод 5 может быть поставлен газификатор 17 (фиг. 2), который может быть выполнен как в виде баллона со сжатым газом, так и в виде катализатора (эжекторного или типа РПА, т.е. роторно-пульсирующего аппарата, ультразвукового или др. типов). Цель постановки газификатора - насыщение жидкости газом с целью не только увеличения объема PC в зоне высокого давления, но и повышения объемного КПД η_o всего цикла.

В трубопроводе 4 после холодильника (охладителя) 19 PC сжимается и поступает на всасывание в агрегат 1, работающий в режиме насоса.

К трубопроводу 4 для увеличения КПД замкнутого цикла может быть подключен аккумулятор 8 для настройки оптимального давления в системе и обеспечения экономичного режима работы системы.

Система (фиг. 2) может работать и по разомкнутому циклу. В этом случае она снабжается открытым или закрытым баком с разделительной диафрагмой (на фиг. не показаны). При этом трубопроводы 18 или 4 соединяются с этим баком.

Кроме того, в трубопроводах 4 или 18 может устанавливаться или соединяться с ними газоотделитель (на фиг. 2 не показан). Газоотделитель (поплавкового, клапанного, клапанно-поплавкового, циклонного, кавитационного, эжекторного или др. типа) может быть также установлен в баке.

Для увеличения КПД цикла в трубопроводе 5 может устанавливаться теплообменник (на фиг. не показан), соединенный более холодной своей частью с трубопроводом 18 слива с агрегата 2. В трубопроводе 5 может быть установлена также камера сгорания. Целесообразно для устранения наружных утечек PC все агрегаты (фиг. 2) располагать в одной общей капсуле, а привод генератора нагрузки 12 осуществлять через стенку капсулы абсолютно герметичной магнитной муфтой 13.

Оптимальное соотношение рабочих объемов V_о для ДВТП:

В качестве агрегатов ГРС целесообразно, с точки зрения КПД и эффективности, применять беспульсационные ролико-лопастные машины, представленные на фиг.3, 4, 5, 6, 7, или беспульсационные винтовые агрегаты, или машины других типов, которые обеспечивают беспульсационный поток PC.

По схемам, представленным на фиг. 1 и фиг. 2, можно проводить испытания и исследования гидромоторов, гидронасосов, газовых и газожидкостных агрегатов, используя принцип внутренней циркуляции большой мощности с помощью маломощного подпитывающего вспомогательного насоса 11 (фиг. 1) или подвода и отвода незначительного количества тепла (фиг. 2). Непульсирующие малошумные агрегаты, представленные на фиг. 3, 4, 5, 6, 7, могут работать не только в режиме обычного насоса и мотора, но и в режиме пневмо- и гидродвигателя, вакуум-насоса, компрессора, детандера, жидкостного и газового насоса, пылесоса, самовсасывающего насоса для фермера (в частности для колодцев) в качестве мотора для мотор-колес транспортных средств и т.п. Они просты по конструкции, прямоточны, не имеют возвратно-движущихся частей и клапанно-распределительной аппаратуры.

Ha фиг. 3, 4 и 5 представлены простейшие, наиболее употребительные двухроликовые схемы, вращающиеся детали которых могут быть выполнены как на подшипниках качения, так и на подшипниках скольжения.

На примере более сложной 4-х роликовой схемы (фиг. 6) поясняется принцип их работы, например, в режиме мотора: PC (рабочее тело) движется через подводящие каналы 26 в корпусе 21 к рабочим камерам, ограниченным лопастями 23 ротора 22 и роликами-разделителями 24.

Сила, создаваемая давлением РС на соответствующие лопасти 23, заставляет ротор совершать вращательное движение. Лопасти ротора при этом движутся в кольцевом пространстве, ограниченном внутренними стенками корпуса 21. Свободный проход лопастей 23 ротора 22 зоны роликов-разделителей 24 обеспечивают пазы 25. Число пазов 25 может быть четным (фиг. 4, 5, 6) или нечетным (фиг. 3).

Отвод РС осуществляется через отводящие каналы 7, выполненные в корпусе 21.

При перемене подводящих каналов 26 и отводящих каналов 27 меняется направление вращения ротора агрегата. Передаточное число "u" зубчатого механизма синхронизации (на фиг. не показан, находится сбоку) ролико-лопастных агрегатов равно отношению) числа лопастей 3 к числу пазов 5 в ролике.

Агрегаты, представленные на фиг.7 и 8, имеют высокие удельные показатели V_о/m, где m - масса агрегата. Этот показатель имеет важное значение для агрегатов, работающих в режиме высокомоментного гидромотора и мотор-колеса.

Работа агрегата (фиг. 7) в режиме мотора осуществляется следующим образом: РС под давлением по каналам 51 и 53 поступает соответственно в полости 49 и 50. Возникает радиальная сила, которая действует на обойму 29 и соответствующие заслонки 33 и приводит во вращение кривошип 30 коленчатого вала. Коленчатый вал начинает вращение против часовой стрелки, при этом обойма 29 катится своей наружной цилиндрической поверхностью по внутренней цилиндрической поверхности статора 28 с небольшим проскальзыванием. Отработавшая РС из полостей 48 и 49 через каналы 52 и 54 отводится в сливной коллектор (на чертеже не показан) и далее распределитель (цапфенного, торцевого, золотникового и др. типа) или непосредственно через торцевую крышку агрегата, которая может играть функцию распределителя РС. Ролики 32 совершают качательное движение, а заслонки 33 - возвратно-поступательное движение в роликах 32 и качательное движение относительно обоймы 29.

Роль ротора в ДВТП (фиг. 7) выполняет обойма 29 с кривошипом 30 коленвала, а роль роликов-разделителей выполняют пластины 33 и качающиеся вокруг своей оси ролики 32. Рабочий объем V_о такого агрегата (см. фиг. 7, 8) определяется по выражению

где L - осевая длина обоймы 2 (или заслонки 6).

На фиг. 8 представлен 2-х роликовый агрегат, работа которого осуществляется подобно работе агрегата, представленного на фиг. 7.

Количество роликов в конструкциях, подобных конструкциям агрегатов, представленных на фиг. 7, 8 и 9, может быть как четным (2, 4, 6, 8 и т.д.), так и нечетным (1, 3, 5 и т.д.).

Следует особо подчеркнуть, что в качестве агрегатов для градуировки расходомеров (фиг. 1) и ДВТП (фиг. 2) в основном подходят (и являются главным образом предпочтительными) только беспульсационные агрегаты преимущественно ролико-лопастного типа (фиг. 3, 4, 5, 6, 7, 8) с (98...100%)-м страгиванием с места и машины винтового или лопастного типа, имеющие очень малое внутреннее трение (т.е. незначительные гидромеханические потери) и минимальные потери момента при страгивании с места Мстраг.

У этих беспульсационных машин отношение вытесненного объема V к углу поворота ротора α есть величина постоянная, т.е. а производная .

Применение же других пульсирующих машин (агрегатов), работающих по другим принципам (поршневому, шестеренчатому, героторному и т.п.), а также агрегатов, работающих по принципу "Roots" (две восьмерки), которые имеют пульсацию до 30%) и у которых и , а также имеющих значительное внутреннее трение, для использования по схемам, представленным на фиг. 1 и 2, значительно менее предпочтительно, а порою и просто невозможно.

Изобретение предназначено для создания циркуляции рабочей среды в установках для градуировки расходомеров с большими условными проходами и счетчиков количества жидкости и газа. Генератор расхода рабочей среды содержит насос и потребитель расхода (расходомер, мотор), связанные между собой валом. Градуируемый расходомер устанавливается в один из трубопроводов, соединяющих насос и мотор. Малорасходный вспомогательный насос заставляет циркулировать значительно больший расход в контуре насоса и потребителя расхода, в качестве которых использованы беспульсационные роликолопастные машины. Оптимальное соотношение рабочих объемов насоса и потребителя расхода выбрано в пределах . Генератор имеет простую конструкцию, обладает высоким КПД, минимальными потерями при страгивании с места, возможностью работы на различных PC. 8 ил.

Генератор расхода рабочей среды для использования при градуировке расходомеров и счетчиков количества жидкости и газа, содержащий агрегат с рабочим объемом работающий в режиме насоса, вспомогательный насос и трубопроводы, отличающийся тем, что содержит агрегат с рабочим объемом работающий в режиме потребления расхода, при этом соотношение рабочих объемов агрегатов, выполненных в виде беспульсационных роликолопастных машин и соединенных между собой валом или муфтой, выбрано в пределах: