ПОРШНЕВАЯ РАСШИРИТЕЛЬНАЯ МАШИНА Российский патент 2003 года по МПК F04B39/10 F04B53/10 

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

Известны конструкции поршневых расширительных машин - поршневого пневмодвигателя [1, 2] и поршневого детандера [3] с прямоточной схемой движения газа в цилиндре, в стенках которого имеются выхлопные окна для выхода расширившегося воздуха. В этих конструкциях в системе газораспределения применяется самодействующий нормально открытый впускной клапан с возможностью регулирования степени наполнения цилиндра расширительной машины.

Недостатками таких расширительных машин являются: относительно невысокое значение индикаторной работы, обусловленное коротким процессом выталкивания в рабочем цикле, и недостаточно совершенная система регулирования степени отсечки наполнения цилиндра [3] на нерасчетных режимах работы, при которой с изменением высоты подъема запорного элемента клапана изменяется и сила упругости пружины (натяг пружины). С этим связаны повышенные потери давления в клапане при уменьшении высоты подъема запорного элемента и высокие скорости посадки запорного элемента на седло при увеличении высоты подъема.

Известна другая конструкция расширительной машины [4], содержащая цилиндр с поршнем, систему газораспределения, включающую самодействующий нормально открытый впускной клапан с ограничителем, впускной штуцер, самодействующий выпускной клапан с ограничителем, выпускной штуцер, причем впускной и выпускной клапаны выполнены в виде подпружиненных запорных элементов, снабженных штоком. В этой конструкции устранено большинство из недостатков за счет применения в системе газораспределения самодействующих нормально открытого впускного и закрытого выпускного клапанов. Эта машина [4] работает эффективнее машин [1-3] при небольшой степени наполнения (до 0,2).

Недостаток таких расширительных машин проявляется в невозможности достижения более высоких значений индикаторной работы и холодопроизводительности, которые могли бы иметь место при степени отсечки наполнения 0,5 (т.е. на половине хода поршня), вследствие недостаточной длительности процессов наполнения и выталкивания. Попытки увеличить степень отсечки наполнения до 0,5 за счет регулирования высоты подъема запорного элемента клапана или натяга пружины приводят к тому, что перепад давлений в конце расширения становиться недостаточным для открытия выпускного клапана из-за повышенного количества газа в цилиндре. Для того чтобы выпускной клапан открылся в конце расширения необходимо расширять воздух до давления ниже атмосферного, что значительного снижает эффективность работы расширительной машины. При обратном ходе поршня сила действия пружины совпадает с газовой силой, что способствует раннему закрытию выпускного клапана и уменьшению длительности процесса выталкивания.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанного недостатка, а именно получение более высоких значений индикаторной работы и холодопроизводительности за счет увеличения длительности процессов наполнения и выталкивания.

Указанная задача может быть решена за счет того, что в известной расширительной машине, содержащей цилиндр с поршнем, систему газораспределения, включающую самодействующий нормально открытый впускной клапан с ограничителем, впускной штуцер, самодействующий выпускной клапан с ограничителем, выпускной штуцер, причем впускной и выпускной клапаны выполнены в виде подпружиненных запорных элементов, снабженных штоком, выпускной клапан выполнен нормально открытым, а система газораспределения содержит дополнительно выхлопные окна, выполненные в нижней части цилиндра. Впускной и выпускной клапаны могут быть выполнены в виде:
- консольно закрепленных упругих пластин;
- полосовых пластин, подпружиненных пластинчатыми пружинами.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез цилиндра поршневой расширительной машины с комбинированной системой газораспределения, в которую входят выхлопные окна, впускной и выпускной клапаны, выполненные в виде подпружиненных тарельчатых запорных элементов, снабженных штоками; на фиг.2 показан продольный разрез цилиндра поршневой расширительной машины с комбинированной системой газораспределения, в которую входят выхлопные окна, впускной и выпускной клапаны, выполненные в виде консольно закрепленных упругих пластин; на фиг. 3 показан продольный разрез цилиндра поршневой расширительной машины с комбинированной системой газораспределения, в которую входят выхлопные окна, впускной и выпускной клапаны, выполненные в виде полосовых пластин, подпружиненных пластинчатыми пружинами; на фиг. 4 для сравнения представлены экспериментальные зависимости Р от S, где Р - давление газа в цилиндре поршневой расширительной машины, МПа; S - ход поршня, мм.

Использование в системе газораспределения поршневой расширительной машины нормально открытого выпускного клапана и выхлопных отверстий (фиг. 4б) вместо нормально закрытого выпускного клапана (фиг. 4а) приводит к росту полезной работы, совершаемой машиной, за счет более длительных процессов наполнения и выталкивания (фиг. 4б). В результате проведенных экспериментальных исследований поршневой расширительной машины было установлено, что степень отсечки наполнения цилиндра с нормально открытыми впускным и выпускным клапанами и выхлопными окнами увеличилась с 0,2 до 0,5, степень отсечки выталкивания уменьшилась с 0,65 до 0,5, в итоге индикаторная мощность возросла на 38 %.

Поршневая расширительная машина содержит цилиндр 1, поршень 2, связанный с кривошипно-шатунным механизмом. В стенках цилиндра 1 выполнены выхлопные отверстия 3. В крышке 4 цилиндра 1 располагаются нормально открытые впускной и выпускной клапаны, впускной штуцер 5 и выпускной штуцер 6. Впускной клапан включает в себя седло 7, расположенное в крышке 4 цилиндра 1, регулятор 8, запорный элемент 9, пружину 10 и ограничитель 11. Выпускной клапан включает в себя седло 12, расположенное в крышке 4 цилиндра 1, регулятор 13, запорный элемент 14, пружину 15 и ограничитель 16.

При подаче газа высокого давления через впускной штуцер 5 происходит впуск порции газа в цилиндр 1 через нормально открытый впускной клапан. Поршень 2 при этом находится в верхней мертвой точке, нормально открытый выпускной клапан при нарастании перепада давлений над запорным элементом 14 и под ним, преодолевая упругие силы пружины 15, закроется. При истечении газа в зазоре между седлом 7 и запорным элементом 9 происходит нарастание перепада давлений над запорным элементом и под ним. Впускной клапан, преодолевая упругие силы пружины 10, закроется, перекрыв истечение газа высокого давления в цилиндр 1. Попавшая в цилиндр, порция газа давит на поршень 2 и при его перемещении расширяется с понижением температуры и совершением внешней работы. При открытии поршнем 2 выхлопных отверстий 3 происходит выхлоп расширившегося охлажденного газа в полость низкого давления, в результате чего перепад давлений в цилиндре и полости низкого давления становится достаточным для того, чтобы пружина 15 преодолела газовую силу и выпускной клапан открылся. Выхлопные отверстия 3 в данном случае способствуют открытию выпускного клапана. При обратном ходе поршня происходит выталкивание оставшегося в цилиндре расширившегося охлажденного газа через выхлопные отверстия 3 до момента перекрытия их торцом поршня и открытый выпускной клапан в полость низкого давления, при этом давление газа в цилиндре несколько возрастает. Примерно на середине хода поршня за счет некоторого роста давления в цилиндре выпускной клапан, преодолевая упругие силы пружины 15, закрывается. При движении поршня к верхней мертвой точке давление в цилиндре 1 растет за счет сжатия оставшегося в цилиндре газа. При достижении равенства давлений в цилиндре 1 и полости высокого давления впускной клапан за счет упругости пружины 10 открывается, цикл повторяется.

Предложенное техническое решение позволяет повысить эффективность работы расширительной машины, в том числе и на нерасчетных режимах работы за счет получения более высоких значений индикаторной работы и холодопроизводительности за счет увеличения длительности процессов наполнения и выталкивания.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Поршневой пневмодвигатель: Патент на изобретение 2097576, МКИ F 01 L 9/02, 25/00, F 01 В 25/02 / И.А. Антропов, А.Д. Ваняшов, А.Н. Кабаков, B.C. Калекин, И.К. Прилуцкий.

2. Поршневой пневмодвигатель: Свидетельство на полезную модель 10423, МКИ F 01 L 9/02, 25/00 / Е.Г. Бычковский, А.Д. Ваняшов, А.Н. Кабаков, B.C. Калекин.

3. Поршневой детандер: Свидетельство на полезную модель 11312, МКИ F 25 В 1/02 / Ваняшов А.Д., Кабаков А.Н., Калекин B.C.

4. Поршневая расширительная машина: Свидетельство на полезную модель 13060, F 01 L 9/02, F 01 В 25/02 / Ваняшов А.Д., Калекин B.C., Коваленко С. В.

Изобретение относится к поршневым расширительным машинам и может быть использовано как в качестве пневмодвигателя в горнодобывающей и нефтехимической промышленности, так и в качестве детандера в холодильной и криогенной технике. Система газораспределения расширительной машины включает самодействующие нормально открытые впускной и выпускной клапаны с ограничителями, впускной и выпускной штуцеры и выхлопные окна, выполненные в нижней части цилиндра. Впускной и выпускной клапаны выполнены в виде подпружиненных запорных элементов, снабженных штоком. Впускной и выпускной клапаны могут быть выполнены в виде консольно закрепленных упругих пластин или в виде полосовых пластин, подпружиненных пластинчатыми пружинами. Использование изобретения позволит повысить эффективность работы машины, в том числе и на нерасчетных режимах работы за счет получения более высоких значений индикаторной работы и холодопроизводительности за счет увеличения длительности процессов наполнения и выталкивания. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Поршневая расширительная машина, содержащая цилиндр с поршнем, систему газораспределения, включающую самодействующий нормально открытый впускной клапан с ограничителем, впускной штуцер, самодействующий выпускной клапан с ограничителем, выпускной штуцер, причем впускной и выпускной клапаны выполнены в виде подпружиненных запорных элементов, снабженных штоком, отличающаяся тем, что выпускной клапан выполнен нормально открытым, а система газораспределения содержит дополнительно выхлопные окна, выполненные в нижней части цилиндра. 2. Поршневая расширительная машина по п. 1, отличающаяся тем, что впускной и выпускной клапаны выполнены в виде консольно закрепленных упругих пластин. 3. Поршневая расширительная машина по п. 1, отличающаяся тем, что впускной и выпускной клапаны выполнены в виде полосовых пластин, подпружиненных пластинчатыми пружинами.