ПОРШНЕВАЯ РАСШИРИТЕЛЬНАЯ МАШИНА Российский патент 2000 года по МПК F01B25/02 F01L9/02 F03C1/08 

Изобретение относится к области машиностроения - машинам объемного действия, в частности поршневым расширительным машинам, и может быть использовано как в качестве пневмодвигателя, например, в горной промышленности, так и в качестве детандера, например, в холодильной технике.

Известен тип расширительных машин - пневмодвигателей, имеющих цилиндр с движущимся в нем поршнем и систему принудительного газораспределения, когда полость цилиндра сообщается с магистралью высокого давления посредством золотника, жестко связанного с кривошипом [1], [2].

Существенными недостатками таких расширительных машин являются высокая конструктивная сложность, большая удельная металлоемкость, низкая эксплуатационная надежность, а также невысокая эффективность работы, обусловленная большим количеством подвижных элементов в системе газораспределения и низкой частотой вращения коленчатого вала.

Известна другая конструкция поршневой расширительной машины - поршневого пневмодвигателя [3], в стенках цилиндров которого имеются выхлопные отверстия для выхода расширившегося воздуха. В этой конструкции устранено большинство из недостатков за счет применения самодействующего впускного клапана в системе газораспределения, а именно, она конструктивно проще аналога, имеет меньшую удельную металлоемкость и более высокую эксплуатационную надежность.

Недостатком указанной расширительной машины является недостаточно высокая эффективность ее работы, вследствие прямоточной схемы движения газа в цилиндре расширительной машины.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а именно, повышение эффективности работы расширительной машины.

Указанная задача может быть решена за счет того, что в известной расширительной машине, содержащей цилиндр с поршнем, систему газораспределения с впускным клапаном и впускной штуцер, система газораспределения включает в себя дополнительно выпускной штуцер и выпускной клапан, причем впускной и выпускной клапаны выполнены в виде подпружиненных пластин.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен продольный разрез цилиндра поршневой расширительной машины; на фиг. 2а и 2в показан в разрезе нормально открытый впускной клапан с запорным элементом в виде пластины, подпружиненной пластинчатой пружиной; на фиг. 2б показан в разрезе выпускной клапан; на фиг. 2г показан впускной клапан с запорным элементом в виде пластины, подпружиненной цилиндрической пружиной; на фиг. 3 и 4 представлены сравнительные индикаторные диаграммы при непрямоточной и при прямоточной схемах движения газа.

Поршневая расширительная машина содержит цилиндр 1, соосно которому размещен поршень 2, связанный с кривошипно-шатунным механизмом. В крышке 3 цилиндра 1 располагаются нормально открытый впускной клапан 4 и выпускной клапан 5, а также имеются впускной штуцер 6 и выпускной штуцер 7. Впускной клапан 4 представляет собой прижатый к ограничителю подъема 8 пружиной 9 запорный элемент 10, выполненный, например, в виде пластины, седло 11 и отверстия для прохода воздуха 12. Для устранения эффекта прилипания пластины 10 к ограничителю подъема, последний имеет поверхность, отличную от поверхности изогнутой пластины. Выпускной клапан 5 представляет собой прижатый к седлу 11 пружиной 13 запорный элемент 14, выполненный, например, в виде пластины.

Расширительная машина работает следующим образом. При подаче воздуха высокого давления через впускной штуцер 6 происходит впуск порции воздуха в цилиндр 1 через нормально открытый впускной клапан 4. Поршень 2 при этом находится в верхней мертвой точке, выпускной клапан закрыт. При истечении воздуха в зазоре между седлом 11 и запорным элементом 10 происходит нарастание перепада давлений над запорным элементом и под ним. Впускной клапан, преодолевая упругие силы пружины 9, закроется, перекрыв истечение воздуха высокого давления в цилиндр 1. Попавшая в цилиндр порция воздуха давит на поршень 2 и при его перемещении расширяется с понижением температуры и совершением внешней работы. При подходе поршня 2 к нижней мертвой точке перепад давлений в цилиндре и магистрали низкого давления становится достаточным для преодоления упругих сил пружины 13 и выпускной клапан 5 открывается. При обратном ходе поршня происходит выталкивание расширившегося охлажденного воздуха через открытый выпускной клапан 5 в магистраль низкого давления или направляется к потребителю, при этом давление воздуха в цилиндре несколько возрастает. Примерно на середине хода поршня за счет некоторого роста давления в цилиндре пружина 13 выпускного клапана 5 возвращается в исходное состояние, клапан закрывается. При движении поршня к верхней мертвой точке давление в цилиндре 1 растет за счет сжатия остаточного воздуха. При достижении равенства давлений в цилиндре и магистрали высокого давления впускной клапан за счет упругости пружины 9 открывается, цикл повторяется.

Предложенное техническое решение позволяет повысить КПД и эффективность работы расширительной машины, в то же время несколько упрощается конструкция машины.

Источники информации:
1. Герц Е.В., Крейнин Г.В. Расчет пневмоприводов. Справочное пособие. М. , "Машиностроение", 1975, стр. 10.

2. Пневматика и гидравлика: Приводы и системы управления. Сборник статей. Вып. 10/Под общ. ред. Е.В. Герц - М.:, Машиностроение, 1984, стр. 30-31.

3. Поршневой пневмодвигатель. Патент N 2097576, МКИ F 01 L 9/02, 25/00, F 01 B 25/02. Антропов И.А., Ваняшов А.Д., Кабаков А.Н., Калекин В.С., Прилуцкий И.К.

Поршневая расширительная машина предназначена для использования в энергомашиностроении в качестве пневмодвигателя, например в горной промышленности, или детандера в холодильной технике. Машина содержит цилиндр с поршнем и систему газораспределения, включающую впускной и выпускной клапаны, выполненные в виде подпружиненных пластин, и впускной и выпускной штуцеры, причем пружины могут быть выполнены пластинчатыми, а для впускного клапана - и цилиндрической. Изобретение обеспечивает повышение КПД и эффективности работы машины. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Поршневая расширительная машина, содержащая цилиндр с поршнем, систему газораспределения с впускным клапаном и выпускной штуцер, отличающаяся тем, что система газораспределения включает в себя дополнительно выпускной штуцер и выпускной клапан, причем впускной и выпускной клапаны выполнены в виде подпружиненных пластин. 2. Поршневая расширительная машина по п.1, отличающаяся тем, что впускной и выпускной клапаны подпружинены пластинчатыми пружинами. 3. Поршневая расширительная машина по п.1, отличающаяся тем, что впускной клапан подпружинен цилиндрической пружиной, а выпускной - пластинчатой.