СПОСОБ РАБОТЫ МАШИНЫ ОБЪЕМНОГО ВЫТЕСНЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК F04C18/00 F04B35/00 

Изобретение относится к машиностроению и может применяться при создании машин объемного вытеснения (расширения), использующих процессы сжатия и расширения рабочей среды, сюда принадлежат роторные машины, а также машины с качающимися рабочими органами для сжимаемых текучих сред. К данной категории, в частности, относятся поршневые и винтовые компрессоры, двигатели, детандеры, спиральные и ротационно-пластинчатые компрессоры.

Машины, работающие по принципу объемного вытеснения (расширения), предназначены для преобразования механической энергии рабочих органов во внутреннюю энергию рабочей среды или наоборот, при этом кинетическая энергия среды существенно не влияет на этот процесс. Известные способы работы объемных машин основаны на принципах изменения рабочего объема внутри корпуса машины движущимися рабочими органами, которые совершают возвратно-поступательные, вращательные или колебательные движения. При этом образуются замкнутые полости переменного объема, в которых осуществляются процессы сжатия или расширения рабочей среды.

Рассмотрим существующие способы работы машин объемного вытеснения на примере компрессора. Компрессор предназначен для перемещения сжимаемой среды (газа) из области низкого давления в область высокого давления. В компрессорах объемного вытеснения это обеспечивается последовательными процессами всасывания для обеспечения поступления газа в рабочую полость, сжатия за счет уменьшения объема рабочего пространства, после того как рабочая полость становится закрытой от области всасывания, нагнетания, когда газ вытесняется из рабочей полости в окно нагнетания.

В частности рассмотрим известный [1] цикл работы винтового компрессора, который осуществляется следующим образом. Газ через всасывающий патрубок поступает в межвинтовые впадины, образованные на вращающихся роторах выходящими из зацепления винтовыми парами. При вращении впадины замыкаются между винтовыми поверхностями и корпусом, зуб одного ротора входит во впадины другого, при этом рабочие поверхности роторов очень близко подходят друг к другу, но не соприкасаются. Процесс сжатия газа осуществляется одновременно с перемещением линии наименьшего сближения роторов по направлению к нагнетательному окну. Процесс нагнетания начинается тогда, когда канал между зубьями соединится с началом нагнетательного отверстия и заканчивается выходом зубьев из зацепления с вытеснением всего газа в нагнетательный патрубок. Существенным недостатком такого технического решения является то, что изменение объема полостей сжатия зависит только от углов поворота ведущего ротора, и не учитываются термодинамические зависимости и газовые силы, происходящие в этих полостях.

Аналогичный процесс имеет место при работе поршневого компрессора [2], у которого поршень совершает внутри цилиндра возвратно-поступательное движение. При увеличении объема рабочая полость сообщается с всасывающим трубопроводом или непосредственно с атмосферой и производится наполнение ее рабочей средой, при уменьшении объема замкнутая среда подвергается сжатию и вытесняется в нагнетательный трубопровод. Недостаток такого способа в том, что уменьшение объема рабочей полости за счет движения поршня описывается углом поворота коленчатого вала и не зависит от стадии прохождения термодинамических процессов, которые этот же поршень производит, а также от газовых сил, которые возникают вследствие этого.

По технической сущности к достигаемому результату наиболее близким прототипом изобретения за совокупностью признаков является "Способ изменения объема рабочих камер объемных машин" [3], в котором решается техническая задача увеличения объемной производительности при сжатии и расширении газа за счет переноса его между несколькими подвижными стенками рабочих полостей с одновременным изменением объема.

Таким образом, все существующие способы работы машин объемного вытеснения включают образование открытых полостей и наполнение их рабочей средой, замыкание полостей с последующим изменением их объема за счет движения рабочих органов в виде одной или больше подвижных стенок, ограничивающих полость, а также раскрытие полостей и вытеснение из них рабочей среды.

Общий существенный недостаток всех таких решений проявляется в виде неравномерного характера преобразования механической энергии движущихся рабочих органов в энергию рабочей среды или наоборот. Не учитываются термодинамические зависимости на характер движения рабочих органов по изменению объема рабочей среды, что приводит к возрастанию газодинамических потерь, пульсациям давления, вибрациям и потере части энергии. Движение рабочих органов на всех режимах их работы определяется только кинематической схемой механизма привода машины и, с точки зрения уменьшения энергозатрат, не существует взаимной связи между пошаговым последовательным выполнением действий рабочими органами и оптимально необходимым для этого изменением объема рабочих полостей за тот же промежуток времени.

Для устранения вышеперечисленных недостатков в основе изобретения лежит техническая задача уменьшения энергозатрат и повышения надежности работы машин объемного вытеснения за счет уменьшения динамических нагрузок и пульсаций рабочей среды путем перерасчета существующих зависимостей изменения объема рабочих полостей от времени процессов сжатия или расширения.

Для достижения поставленной задачи предлагается способ, который, как и известный, включает образование открытых полостей, наполнение их рабочей средой, замыкание полостей с последующим изменением их объема за счет движения рабочих органов для осуществления процессов сжатия или расширения с выполнением работы по изменению давления, раскрытие полостей и вытеснение из них рабочей среды.

В отличие от известного, в заявляемом способе в каждой отдельно взятой замкнутой полости процесс сжатия или расширения рабочей среды проводят при поддержании постоянной удельной работы изменения давления по времени выполнения этого процесса, при этом движение рабочих органов, геометрия рабочих полостей и условия теплообмена обеспечивают последовательные величины объемов V_i каждой замкнутой полости по времени процесса сжатия или расширения в соответствии с приведенной формулой:

где

V₁ - начальный объем замкнутой рабочей полости;

ε - степень повышения давления в рабочей полости;

0≤τ_i≤1 - безразмерный параметр, определяющий по времени завершенность процесса сжатия или расширения, численное значение которого вычисляется как отношение времени прошедшего с момента образования замкнутой полости ко всему времени существования замкнутой полости;

n - показатель политропы.

Таким образом, предложенный способ характеризуется следующими отличительными признаками:

в каждой отдельно взятой замкнутой полости процесс сжатия или расширения рабочей среды проводят при поддержании постоянной удельной работы изменения давления по времени выполнения этого процесса. Выполнение этого признака обеспечивается последовательными величинами объемов V_i каждой замкнутой полости по времени процесса сжатия или расширения в соответствии с вышеприведенной математической формулой и осуществляется посредством совокупности остальных признаков, а именно движения рабочих органов, геометрии рабочих полостей и условий теплообмена;

движение рабочих органов обеспечивает последовательные величины объемов V_i каждой замкнутой полости в соответствии с приведенной формулой. Последовательные положения рабочих органов в виде одной или больше подвижных стенок, ограничивающих рабочую полость, определяют текущий объем этой полости во времени процесса сжатия или расширения. Скорости движения на разных участках сжатия или расширения, а также траектории, по которым движутся рабочие органы, рассчитываются таким образом, чтобы обеспечить изменение объема каждой замкнутой полости в соответствии с приведенной формулой;

геометрия рабочих полостей обеспечивает последовательные величины объемов V_i каждой замкнутой полости в соответствии с приведенной формулой. Геометрическая форма и размер подвижных и неподвижных стенок, ограничивающих рабочую полость, рассчитывается таким образом, чтобы в сочетании с движением рабочих органов обеспечивать изменение объема каждой закрытой рабочей полости в соответствии с приведенной формулой;

условия теплообмена обеспечивают последовательные величины объемов V_i каждой замкнутой полости в соответствии с приведенной формулой. Условия теплообмена характеризуют режим подвода и отвода тепла от стенок рабочих полостей, оказывают влияние на параметры рабочей среды, на точность расчетов и являются дополнительным признаком. В формуле теплообмен представлен средним значением показателя политропы, который может отличаться на разных временных участках процесса сжатия или расширения, в зависимости от способа охлаждения, технического его осуществления и конструктивных особенностей машины. Для точности расчетов значение показателя политропы может задаваться вместе с исходными данными для конкретного диапазона давлений и температур или по времени изменения объема, например, равномерно изменяющимся от значения n1 до n2 по формуле n=n1+τ_i·(n2+n1), где

n1 - показатель политропы в начале процесса сжатия или расширения;

n2 - показатель политропы в конце процесса сжатия или расширения;

0≤τ_I≤1 - безразмерный параметр, определяющий по времени завершенность процесса сжатия или расширения, численное значение которого вычисляется как отношение времени прошедшего с момента образования замкнутой полости ко всему времени существования замкнутой полости;

величина объема замкнутой рабочей полости в любой момент времени процесса сжатия и/или расширения находится в диапазоне допустимых отклонений 3% в любую сторону от его расчетного значения. Величина объема замкнутой рабочей полости в процессе сжатия или расширения совпадает с расчетными значениями формулы п.1. или отличается от нее с погрешностью не более чем 3%.

Отличительные признаки неразрывно связаны с техническим результатом и имеют положительные качества, которые отсутствуют в прототипе и в других известных решениях. Эти качества проявляются в том, что при выполнении рабочими органами последовательности движений с изменением объема замкнутых полостей обеспечивается более равномерное, по сравнению с существующими техническими решениями, преобразование механической энергии рабочих органов машины во внутреннюю энергию рабочей среды или наоборот. Вследствие этого уменьшаются пульсации давления в полостях сжатия и потери части энергии, подведенной к газу, уменьшаются инерционные силы и связанные с ними сопротивления, понижается уровень вибрации и шума. Происходит перераспределение давления в ступени, а также величин газовых сил и моментов, которые действуют на подшипники и увеличиваются совместно с возрастанием перепада давлений. В итоге в некоторых случаях можно избежать нежелательного перехода на многоступенчатое сжатие из-за недостаточной несущей способности подшипников и жесткости роторов, повысить степень повышения давления в ступени.

Перечисленные выше отличительные признаки являются достаточными для решения поставленной задачи, а именно уменьшения энергозатрат и повышения надежности работы машин объемного вытеснения за счет уменьшения динамических нагрузок и пульсаций рабочей среды путем перерасчета существующих зависимостей изменения объема рабочих полостей от времени процессов сжатия и/или расширения.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 - показана индикаторная диаграмма.

На фиг.2 - пример процентной зависимости изменения объема рабочей полости, а также давления и удельной работы от времени процесса сжатия.

Сущность заявляемого способа работы объемной машины состоит в том, что сжатие или расширение рабочей среды проводят при поддержании постоянной удельной работы изменения давления в каждой рабочей полости и на всех одинаковых по времени участках процесса сжатия или расширения путем изменения объемов рабочих полостей в необходимой для этого мере. Эта мера определяется вышеприведенной в п.1 формулой.

Поддержание постоянной удельной работы l на всех одинаковых по времени t участках процесса сжатия или расширения можно также описать в виде формулы .

Графически это выразится равенством площадей, описываемых за одинаковое время на индикаторной диаграмме, представленной на фиг.1, где p₁, V₁ - давление и объем замкнутой рабочей полости в начале процесса сжатия, p₂, V₂ - в его конце, и наоборот, р₂, V₂, р₁, V₁ - соответственно в начале и в конце процесса расширения.

Техническое осуществление заявленного способа.

Применительно к компрессору для сжатия воздуха при стандартных начальных условиях с внутренней степенью повышения давления ε=5, показателем политропы, равном показателю адиабаты n=k=1.4, задавались начальным объемом одной замкнутой рабочей полости V₁ и набором значений параметра τ_i от 0 до 1 с шагом 0.001. После этого по формуле п.1 выполняли расчет последовательных величин объемов V_i рабочей полости по времени процесса сжатия, которые определяют необходимые изменения объема рабочих полостей и кинематику движения рабочих органов в каждый момент времени процесса сжатия на всем промежутке времени существования замкнутой полости. Характеристика работы машины объемного вытеснения по заявленному методу для данного компрессора приведена на фиг.2 в виде процентной зависимости изменения объема V рабочей полости, давления р и удельной работы l от времени процесса сжатия. При этом текущее время процесса сжатия t также представлено в виде процентной зависимости в виде значений параметра τ_i, который выражен в процентной форме. Процентные зависимости изменения V, р, l вычислены от отношения изменения этих величин с момента образования замкнутой полости к общему их изменению за время существования этой замкнутой полости. Согласно изобретению удельная работа l изменяется по линейному закону. Формы кривых V, р зависят от показателя политропы и степени повышения давления, на них не влияют параметры газа на всасывании и первоначальный объем V₁. Задавая различные варианты движения рабочих органов и разнообразные геометрические формы рабочих полостей, способ осуществляли для ряда конструктивных решений в виде устройств для сжатия или расширения и при разных режимах их работы.

Устройствами для осуществления сжатия по заявленному способу могут быть винтовые компрессоры, где рабочие винты:

выполнены с переменным осевым шагом;

имеют переменные наружные диаметры и представляют собой коническую винтовую пару;

имеют переменные внутренние диаметры;

имеют несколько различных участков с постоянными/переменными диаметрами по длине и/или с постоянным/переменным шагом;

расположены на скрещивающихся валах;

имеют изменяемую геометрию профилей зубьев по длине винта.

Заявленный способ можно применить в поршневых компрессорах с поршнями, движущимися возвратно-поступательно в рабочих цилиндрах при помощи шатунов, когда:

шатун имеет переменную длину и выполнен в виде гидропоршня, управление которым обеспечивается при помощи датчиков давления или температуры, размещенных в полостях сжатия;

рабочие шатуны приводятся в движение с помощью кривошипно-шатунного механизма, расположенного на эксцентрично вращающихся валах или с помощью специально рассчитанного кулисного механизма;

рабочие шатуны приводятся в движение с помощью нескольких сервоприводов;

применяется кулачковый механизм;

дополнительный шатун и поршень установлен в рабочей полости, чтобы обеспечить необходимое уменьшение объема согласно заявляемому способу.

Устройством для осуществления данного способа может быть:

поршневой компрессор с поршнями, движущимися возвратно-поступательно в рабочих цилиндрах с помощью линейного двигателя на соленоидной катушке, где скорость движения поршня определяется на основе расчетов необходимого объема полостей сжатия по формуле п.1, а также дополнительным снижением энергозатрат при сжатии рабочей среды путем регулировании движения линейного двигателя посредством датчиков давления или температуры, размещенных в полостях сжатия;

прямозубый роторный компрессор, у которого форма рабочих роторов обеспечивает необходимую последовательность величин объемов рабочих полостей во времени процесса сжатия, которые рассчитываются по формуле п.1;

спиральный компрессор, у которого форма спиралей обеспечивает во время процесса сжатия необходимую последовательность величин объемов рабочих полостей, которые рассчитываются по формуле п.1;

ротационно-пластинчатый компрессор, у которого форма стенок рабочих полостей отличная от цилиндрической и определяется необходимыми последовательностями величин объема рабочих полостей по времени процесса сжатия, которые рассчитываются по формуле п.1;

любое другое конструктивное решение машины объемного вытеснения, в котором форма и кинематика рабочих органов вместе с формой стенок рабочих полостей обеспечивают во время процесса сжатия или расширения необходимые последовательности величин объемов каждой рабочей полости, что рассчитываются по формуле п.1 для обеспечения работы машины по заявленному способу.

Способ может применяться как средство повышения эффективности работы машины объемного вытеснения при изменении режимов ее работы, а также для осуществления регулирования этой эффективности посредством датчиков давления или температуры, размещенных в рабочих полостях.

Заявленное техническое решение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями обладает значительными преимуществами для уменьшения энергозатрат при работе машин объемного вытеснения, позволяет уменьшить инерционные силы и связанные с ними сопротивления, снизить уровень вибрации, динамические нагрузки на подшипники, что положительно скажется на долговечности машины, а также уменьшит уровень шума.

Источники информации

1. Андреев П.Д. Винтовые компрессорные машины. Л., Судпромгиз, 1961, с.13-17.

2. Френкель М.И. Поршневые компрессоры. Л., Машиностроение, 1969, с.5.

3. WO 00/34661, PCT/RU99 00466, Способ изменения объема рабочих камер объемных машин, МПК F04C 18/46, F01C 1/100, 1/16 - прототип.

Изобретение относится к машиностроению и может применяться при создании машин объемного вытеснения (расширения), использующих процессы сжатия и расширения рабочей среды. Сущность заявляемого способа работы объемной машины состоит в том, что сжатие или расширение рабочей среды проводят при поддержании постоянной удельной работы изменения давления в каждой рабочей полости и на всех одинаковых по времени участках процесса сжатия или расширения путем изменения объемов рабочих полостей в необходимой для этого мере. Уменьшаются энегозатраты и повышается надежность работы. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ работы машины объемного вытеснения, включающий образование открытых полостей, наполнение их рабочей средой, замыкание полостей с последующим изменением их объема за счет движения рабочих органов для осуществления процессов сжатия или расширения с выполнением работы по изменению давления, раскрытие полостей и вытеснение из них рабочей среды, отличающийся тем, что в каждой отдельно взятой замкнутой полости процесс сжатия или расширения рабочей среды проводят при поддержании постоянной удельной работы изменения давления по времени выполнения этого процесса, при этом движение рабочих органов, геометрия рабочих полостей и условия теплообмена обеспечивают последовательные величины объемов V_i каждой замкнутой полости по времени процесса сжатия или расширения в соответствии с приведенной формулой:

где V_i - начальный объем замкнутой рабочей полости;

ε - степень повышения давления в рабочей полости;

0≤τ_i≤1 - безразмерный параметр, определяющий по времени завершенность процесса сжатия или расширения, численное значение которого вычисляется как отношение времени, прошедшего с момента образования замкнутой полости, ко всему времени существования замкнутой полости;

n - показатель политропы.