УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ РАБОЧЕГО ОРГАНА Российский патент 2004 года по МПК F04B9/00 

Изобретение относится к поршневым машинам возвратно-поступательного движения и может найти применение в качестве оборудования насосных установок и станций в различных областях промышленности, например на нефтепромыслах для поддержания давления в нефтяных пластах.

Известно устройство для осуществления возвратно-поступательного движения рабочего органа, например поршня, в котором создают попеременно во взаимно-противоположных направлениях механическое воздействие на рабочий орган (поршень), разделяющий корпус на две рабочие камеры за счет изменения давления рабочего тела (текучая среда), подавая рабочее тело в рабочие камеры. (RU 2105193, F 04 В 9/103, 20.02.1998 г.).

Недостатком известного технического решения является следующее. Для подачи рабочего тела в поршневую машину используют устройство напорного перемещения. Если поршневая машина и устройство напорного перемещения расположены на расстоянии друг от друга, то это ведет к увеличению длины труб, выполняющих функции каналов подвода и отвода. С ростом расстояния повышается материалоемкость системы в целом, снижается кпд из-за потерь давления в трубах.

Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип техническим решением является устройство для осуществления возвратно-поступательного движения рабочего органа, содержащее корпус, установленный в корпусе с возможностью возвратно-поступательного перемещения рабочий орган, в частности поршень, разделяющий корпус на две рабочие камеры, подключенные через систему клапанов к источнику с рабочим телом, и узел изменения давления рабочего тела, выполненный в виде пар неподвижных электродов, подключенных к источнику электрической энергии через выключатели, которые соединены с блоком управления, к входу которого подключены датчики положения рабочего органа (RU 2157893 C1, 20.10.2000).

Недостаток известного устройства состоит в том, что в нем в результате электрических импульсов с образованием парогазовой смеси в системе будет накапливаться тепловая энергия, рассеяние которой не предусмотрено. В результате нагрева конструкции может произойти выход из строя данной конструкции. Выходом для обеспечения охлаждения является снижение частоты перемещения поршня. Полезная механическая работа при этом становится малопроизводительной. В известном устройстве в результате отсутствия расширительной камеры с охлаждающими ребрами, объем которой много больше, чем объем рабочих камер, не обеспечивается надежная защита от перегрева.

Задачей, поставленной в настоящем изобретении, является получение сверхвысоких давлений при снижении требований к прочности подводящих труб; повышение кпд устройства.

Для достижения указанного результата в известном устройстве для осуществления возвратно-поступательного движения рабочего органа, содержащем корпус, установленный в корпусе с возможностью возвратно-поступательного движения рабочий орган, в частности поршень, разделяющий корпус на две рабочие камеры, подключенные через систему клапанов к источнику с рабочим телом, и узел изменения давления рабочего тела, выполненный в виде пар неподвижных электродов, подключенных к источнику электрической энергии через выключатели, которые соединены с блоком управления, к входу которого подключены датчики положения рабочего органа, рабочие камеры соединены с расширительной камерой, снабженной демпфирующей пружиной и находящейся под давлением, через систему электрически управляемых клапанов.

Кроме того, внутри рабочих камер между парами электродов могут быть установлены нагревательные элементы.

Применение расширительной камеры, находящейся под давлением, с которой соединены через электрически управляемые клапаны рабочие камеры, устраняет расход рабочего тела, позволяет резко снизить длину труб и повышает кпд системы.

Использование в устройстве нагревательных элементов, установленных между парами электродов, повышает надежность системы.

На фиг.1 представлена конструкция устройства для получения возвратно-поступательного движения.

На фиг.2 показана принципиальная электрическая схема блока питания.

На фиг.3 показана схема блока управления.

Устройство для осуществления возвратно-поступательного движения рабочего органа представлено на примере поршневой машины и выполнено следующим образом.

Цилиндрический корпус 1 (фиг.1) разделен на две рабочие камеры 2 и 3 рабочим органом - поршнем 4. Последний имеет возможность продольного перемещения и снабжен штоками 5 и 6, выходящими по обе стороны торцевых частей корпуса через герметичные сальники (не обозначены). Внутрь рабочих камер через изолированный ввод (не обозначен) введены пары электродов соответственно 7 и 8. Электроды, в свою очередь, электрически соединены с блоком электрического питания и управления 9. Рабочие камеры 2 и 3 патрубками соединены с расширительной камерой 10, находящейся в емкости 11, через электроуправляемые клапаны соответственно 12 и 13. Объем расширительной камеры 10 много больше, чем объем камер 2 и 3. Клапаны электрически соединены с блоком питания и управления 9. Расширительная камера 10 изолирована от внешней среды и выполнена с возможностью изменения объема. Для этого камера 10 имеет стенки в виде сильфона 14. Камера 10 находится под давлением от воздействия пружины 15. Емкость 11 снабжена ребрами 16, повышающими рассеяние тепла. Штоки снабжены датчиками положения поршня 17 и 18. Электрическая схема блока питания и управления 9 поршневой машины состоит из силовых повышающих трансформаторов 19 и 20 (фиг.2). Первичные обмотки трансформаторов получают питание от цепи переменного тока через тиристорные регуляторы соответственно 21 и 22, в которых тиристоры включены по встречно-параллельной схеме. Управляющие электроды тиристоров соединены с блоком управления 23. Блок управления имеет включатель 24 и регулятор угла открытия тиристоров, показанный в виде рукоятки управления 25. Дополнительная настройка каждого из тиристорных регуляторов осуществляется подстроечными регуляторами 26 и 27.

В варианте устройства расширительная камера 10 отсутствует. Рабочее тело подводится извне. Отработавшее рабочее тело выбрасывается в окружающую среду. Клапаны 12 и 13 в таком случае соединяют рабочие камеры с внешним источником поступления рабочего тела.

В варианте устройства между парами электродов установлены нагревательные элементы. Электрическая схема при этом остается неизменной.

Поршневая машина работает следующим образом.

В статическом режиме поршень 4 занимает среднее положение (как показано на фиг.1), рабочее тело (текучая среда, например, вода) заполняет рабочие камеры 2 и 3, представляющие собой замкнутые объемы, и расширительную камеру 10. Для начала возвратно-поступательного движения необходимо рукояткой управления 25 установить требуемый угол открытия тиристоров 22 и 23. Чем больше угол открытия, тем меньше энергии будет поступать на электроды 7 и 8. При включении включателя 24 происходит закрытие клапана 12 и включаются тиристоры 21. Время включенного состояния тиристоров зависит от угла их открытия. Через повышающий трансформатор 19 подается импульс напряжения на электроды 7. Между электродами возникает электрическая дуга, которая быстро создает местный нагрев рабочего тела в камере 2 с образованием пара. В результате давление в камере быстро возрастает, и за счет разности давлений поршень 4 начинает перемещаться влево (согласно фиг.1). Поскольку клапан 12 открыт, то жидкость из камеры 3 вытесняется в расширительную камеру 10, преодолевая действие пружины 15 емкости 11. Если поршень 4 перекроет выходное отверстие патрубка в камере 3, то оставшаяся в камере 3 жидкость выполняет функции демпфера, предупреждая удар поршня о крышку корпуса 1. При определенном положении штока 6 (в промежутке между центральным положение поршня и местом перекрытия отверстия патрубка) срабатывает датчик 18 положения поршня. Его положение устанавливается заранее. При этом происходит открытие клапана 12, что приведет к резкому падению давления в камере 2. Пар и жидкость поступают в расширительную камеру 10. Расширительная камера демпфирует избыточное давление. Происходит быстрое остывание и осаждение пара. Поскольку клапан 13 остается открытым, поршень сначала остановится, а затем несколько сместится влево от крайнего положения. Происходит временное выравнивание давления в рабочих камерах. С некоторой выдержкой времени клапан 13 закрывается и подается импульс высокого напряжения на электродную пару 8. Клапан 12 остается открытым. Описанный ранее процесс повторяется. Поршень 4 движется влево до тех пор, пока не сработает датчик положения 17. Таким образом, при подаче поочередно импульсов на электродные пары 7 и 8 обеспечивается возвратно-поступательное движение поршня, штоков 5 и 6 и механизма, сочлененного со штоками (не показан), сочлененного с одним из штоков. Меняя угол открытия управления тиристорами о помощью рукоятки 25, можно в широком диапазоне регулировать энергию и усилие, передаваемое рабочему органу. Регуляторы 26 и 27 позволяют изменять давление в одной из камер при подаче импульсов и тем самым создавать несимметричные режимы усилий на рабочем органе. Длина патрубков в предлагаемой поршневой машине невелика. Поскольку рабочее тело перемещается по замкнутому циклу, то снижена металлоемкость машины и повышен ее кпд.

Если между электродными парами установлены нагревательные элементы, то при этом можно уменьшить подводимое к нагревателям напряжение и повысить регулировочные свойства системы.

Если расширительная камера 10 не используется, то рабочее тело поступает в рабочие камеры самотеком из внешней среды. Отработавшее рабочее тело выбрасывается наружу. Работа клапанов происходит по описанной выше схеме. Для подачи рабочего тела не требуется высокого давления.

Устройство предназначено для использования в поршневых машинах возвратно-поступательного движения в качестве оборудования насосных установок и станций в различных областях промышленности, например на нефтепромыслах для поддержания давления в нефтяных пластах. В рабочих камерах корпуса, разделенных поршнем, установлены пары электродов. Рабочие камеры соединены с расширительной камерой, изолированной от внешней среды, выполненной в виде сильфона и находящейся под давлением пружины. При поочередной подаче электрических импульсов на электроды в рабочих камерах возникает электрическая дуга, под действием которой рабочее тело (жидкая среда) доводится до состояния пара. Из-за разности давлений и при согласованной работе клапанов поршень совершает поступательное движение. Электрическая схема состоит из тиристорного блока, включаемого по сигналам датчиков положения поршня. Между электродами установлены нагревательные элементы. Обеспечивается замкнутый цикл подачи рабочего тела и сокращается длина труб; достигаются сверхвысокие давления; повышается кпд машины. 2 ил.

1. Устройство для осуществления возвратно-поступательного движения рабочего органа, содержащее корпус, установленный в корпусе с возможностью возвратно-поступательного перемещения рабочий орган, в частности поршень, разделяющий корпус на две рабочие камеры, подключенные через систему клапанов к источнику с рабочим телом, и узел изменения давления рабочего тела, выполненный в виде пар неподвижных электродов, подключенных к источнику электрической энергии через выключатели, которые соединены с блоком управления, к входу которого подключены датчики положения рабочего органа, отличающееся тем, что рабочие камеры соединены с расширительной камерой, снабженной демпфирующей пружиной и находящейся под давлением, через систему электрически управляемых клапанов.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутри рабочих камер между парами электродов установлены нагревательные элементы.