СТУПЕНЬ ПОРШНЕВОЙ ГИБРИДНОЙ МАШИНЫ Российский патент 2016 года по МПК F04B39/06 

Изобретение относится к области энергетики и компрессоростроения и может быть использовано при создании экономичных поршневых машин для сжатия газа с независимым активным жидкостным охлаждением цилиндропоршневой группы.

Известна ступень поршневой машины, содержащей цилиндр и размещенный в нем поршень с образованием рабочей полости, имеющей всасывающий и нагнетательный клапаны, соединенные, соответственно, со всасывающей и нагнетательной линией, которая соединена с газовым ресивером (см., например, книгу Б.С. Фотин, И.Б. Пирумов, И.К. Прилуцкий, П.И. Пластинин «Поршневые компрессоры». - Л.: Машиностроение, 1987, стр. 5, рис. B1).

Известна также ступень поршневой машины, содержащей цилиндр и размещенный в нем поршень с образованием рабочей полости, имеющей всасывающий и нагнетательный клапаны, соединенные, соответственно, со всасывающей и нагнетательной линией, которая соединена с газовым ресивером, причем цилиндр имеет жидкостную рубашку, соединенную каналами входа и выхода с устройством для прокачки жидкости (см., например, книгу Б.С. Фотин, И.Б. Пирумов, И.К. Прилуцкий, П.И. Пластинин «Поршневые компрессоры». - Л.: Машиностроение, 1987, стр. 185-185, рис. 6.32). Данное устройство является наиболее близким к заявляемому по конструкции и принципу работы.

В этой ступени рабочая полость омывается охлаждающей жидкостью, и имеется возможность получения сравнительно высокой степени повышения давления при удовлетворительном КПД. Однако конструкция ступени весьма громоздка из-за необходимости иметь дополнительно приводной механизм подачи охлаждающей жидкости и сам механизм в виде жидкостного насоса, что увеличивает массу машины, усложняет ее конструкцию, увеличивает стоимость и общие затраты мощности на сжатие газа. Все это вместе взятое увеличивает приведенную стоимость сжатого газа и снижает общую эффективность ступени поршневой машины.

Задачей изобретения является снижение приведенной стоимости сжатого газа и увеличение общей эффективности работы ступени поршневой машины.

Указанная задача решается тем, что в ступени поршневой машины, содержащей цилиндр и размещенный в нем поршень с образованием рабочей полости, имеющей всасывающий и нагнетательный клапаны, соединенные, соответственно, со всасывающей и нагнетательной линией, которая соединена с газовым ресивером, причем цилиндр имеет жидкостную рубашку, соединенную каналами входа и выхода с устройством для прокачки жидкости, согласно заявляемому изобретению устройство для прокачки жидкости выполнено в виде части линии нагнетания, содержащей последовательно по ходу движения нагнетаемого газа участки сужения и расширения и соединенной в зоне перехода от сужения к расширению каналом выхода жидкости из рубашки охлаждения.

Часть линии нагнетания, содержащая последовательно по ходу движения нагнетаемого газа участки сужения и расширения, в зоне перехода от сужения к расширению может содержать пластину, перекрывающую с зазором сечение канала выхода жидкости из рубашки охлаждения, причем эта пластина имеет протяженность вдоль потока газа по направлению к каналу входа в рубашку охлаждения. Эта пластина также может иметь рифленую поверхность, обращенную в сторону упомянутого канала.

Между каналом входа в рубашку охлаждения и самой рубашкой может быть установлен резервный бачок, уровень жидкости в котором ниже зоны перехода от сужения к расширению участка линии нагнетания, а между нагнетательным клапаном и участком сужения и расширения линии нагнетания может быть установлен дополнительный ресивер, который может иметь рубашку охлаждения, вход которой подсоединен к выходу рубашки цилиндра, а выход - к зоне перехода от сужения к расширению линии нагнетания.

Часть линии нагнетания, содержащая последовательно по ходу движения нагнетаемого газа участки сужения и расширения, может быть соединена с нагнетательным клапаном через ресивер.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 схематично изображено продольное сечение ступени поршневой машины.

На фиг. 2 показан участок сужения и расширения нагнетательного трубопровода с пластиной, перекрывающей с зазором сечение канала выхода жидкости из рубашки охлаждения.

На фиг. 3 показан фрагмент ступени машины, в которой для сглаживания пульсации нагнетаемого потока сжатого газа и его охлаждения между нагнетательным клапаном и участком сужения и расширения линии нагнетания установлен дополнительный ресивер.

На фиг. 4 показано сечение ступени, в которой часть линии нагнетания, содержащей последовательно по ходу движения нагнетаемого газа участки сужения и расширения, соединена с нагнетательным клапаном через ресивер.

Ступень гибридной поршневой машины (фиг. 1) содержит цилиндр 1 и размещенный в нем поршень 2 с образованием рабочей полости 3, имеющей всасывающий 4 и нагнетательный 5 клапаны, соединенные, соответственно, со всасывающей 6 и нагнетательной 7 линией, которая соединена с газовым ресивером 8 через устройство для прокачки жидкости, которое выполнено в виде части линии нагнетания 7, содержащей последовательно по ходу движения нагнетаемого газа участки сужения 9 и расширения 10 и соединенной в зоне перехода 11 от сужения к расширению каналом 12 выхода жидкости из рубашки охлаждения 13 цилиндра 1. Канал входа 14 соединен с рубашкой охлаждения 13 через резервный бачок 15, уровень жидкости в котором ниже зоны перехода 11, и канал 16.

Ресивер 8 соединен с резервным бачком 15 через канал 17, поршень 2 приводится в движение кривошипно-шатунным механизмом 18, размещенным в картере 19 ступени машины, который частично заполнен смазочным маслом.

В зоне 11 перехода от сужения 9 к расширению 10 (фиг. 2) установлена пластина 20, перекрывающая с зазором A сечение канала 12 выхода жидкости из рубашки 13 охлаждения, причем эта пластина имеет протяженность вдоль потока газа по направлению к каналу 14 входа в рубашку 13 охлаждения и имеет рифленую поверхность, обращенную в сторону канала 12.

На фиг. 3 показан вариант ступени машины, в котором между нагнетательным клапаном 5 и участком сужения 9 и расширения 10 линии нагнетания 7 установлен дополнительный ресивер 21, который имеет рубашку охлаждения 22, вход 23 которой подсоединен к выходу рубашки 13 цилиндра 1 каналом 24, а выход 25′ - к зоне перехода 11 линии нагнетания 7 через канал 12. Дополнительный ресивер 21 снабжен перегородками 25 для удлинения пути нагнетаемого газа с целью его лучшего охлаждения и снижения пульсаций за счет трения о стенки ресивера и перегородки 25. Отверстие 26 служит для пропуска конденсата к вентилю слива.

На фиг. 4 показана конструктивная схема ступени поршневой машины, в которой для гашения пульсаций в нагнетательной линии 7 перед входом в участок сужения 9 и расширения 10 используется ресивер 8.

Все жидкостные каналы (12, 14, 24) снабжены теплообменными поверхностями (показаны, как утолщенные поперечные линии). В конструкции на фиг. 4 аналогичными поверхностями снабжена и нагнетательная линия 7.

На чертежах также обозначены давление нагнетания P_Н и давление P_Э в зоне 11.

Ступень поршневой машины (фиг. 1) работает следующим образом.

При вращении вала кривошипно-шатунного механизма 18 поршень 2 совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре 1, в результате чего изменяется объем рабочей полости 3, газ всасывается через клапан 4 из линии всасывания 6, сжимается в полости 3 и нагнетается через клапан 5 в линию нагнетания 7 под давлением нагнетания P_Н. Двигаясь в процессе нагнетания по этой линии, газ попадает в участок сужения 9, где, в соответствии с уравнением Бернулли, его скорость возрастает, а давление падает до величины P_Э, которая определяется отношением сечения линии нагнетания 7 к сечению зоны 11 (чем больше это отношение, тем ниже величина P_Э).

В связи с тем, что на жидкость, находящуюся в рубашке 13, бачке 15 и канале 12, действует давление нагнетания P_Н, подведенное каналом 17 к свободному объему бачка 15 над жидкостью, а в зоне 11 - давление P_Э<P_Н, жидкость из рубашки 13 по каналу 12 под действием перепада давления (P-P_Э) поднимается в зону 11 (фиг. 2) в виде струи, которая упирается в пластину 20, а возможные брызги гасятся рифленой поверхностью этой пластины.

Далее эта жидкость сносится потоком газа в виде слоя, ограниченного пластиной 20 и текущего по дну зоны 11 и далее по дну расширения 10. В расширении 10 происходит увеличение давления газа до значения P_Н, и жидкость приобретает это давление, доходит до отверстия канала 14 и под действием гравитационных сил опускается в этот канал.

Поскольку система «канал 14 - бачок 15» является сообщающимися сосудами, а уровень жидкости в бачке 15 ниже зоны 11, жидкость, попавшая в канал 14 из канала 12, протекает по каналу 14 в бачок 15 и далее по каналу 16 - назад в рубашку 13.

Таким образом, в процессе нагнетания газа из полости 3 в линию нагнетания 7 происходит движение порции жидкости по круговому маршруту «бачок 15-рубашка 13-канал 12-канал 14-бачок 15», который является фактически системой охлаждения цилиндра 1. При этом, проходя через рубашку 13, жидкость отбирает у цилиндра 1 часть теплоты, выделившейся при сжатии газа в полости 3, приближая процесс сжатия к наиболее выгодному, с точки зрения затрат энергии на сжатие газа, - изотермическому. Затем, благодаря наличию теплообменных поверхностей каналов 12 и 14, эта теплота отдается путем естественной (или принудительной при наличии вентилятора) конвекции в окружающую среду.

При наличии дополнительного ресивера 21 происходит гашение пульсации газа, прошедшего через нагнетательный клапан 5, и поток нагнетаемого газа, проходящего через зону 11, становится практически постоянным. Соответственно, постоянным становится и поток жидкости через всю систему охлаждения цилиндра 1, что позволяет повысить эффективность работы системы за счет исключения затрат энергии на преодоление сил инерции, которые имеются при пульсирующем потоке. Кроме того, пропуск жидкости через рубашку 22 дополнительного ресивера 21 способствует интенсификации охлаждения нагнетаемого газа, что также положительно сказывается на КПД ступени.

В конструкции, изображенной на фиг. 4, роль дополнительного ресивера играет основной ресивер 8, пояснений к работе такой конструкции не требуется.

Таким образом в предложенной конструкции ступени поршневой машины охлаждение цилиндра происходит без использования дополнительных устройств в виде, например, насоса или внешнего источника жидкости (например - сетевой напорной магистрали), что снижает материалоемкость конструкции и затраты энергии на охлаждение цилиндропоршневой группы, делает ее абсолютно автономной, что позволяет снизить удельные затраты на получение сжатого газа и повысить общую эффективность ступени.

Изобретение относится к области компрессоростроения и может быть использовано при создании экономичных поршневых машин для сжатия газа с независимым активным жидкостным охлаждением. Устройство содержит цилиндр 1 с поршнем 2 и рабочей полостью 3, имеющей всасывающий 4 и нагнетательный 5 клапаны, соединенные со всасывающей 6 и нагнетательной 7 линией, соединенной с газовым ресивером 8. На линии нагнетания 7 имеются участки сужения 9 и расширения 10. Зона перехода 11 соединена каналом 12 с выходом жидкости из рубашки охлаждения 13. Канал входа 14 соединен с рубашкой охлаждения 13 через бачок 15, уровень жидкости в котором ниже зоны перехода 11, и канал 16. Ресивер 8 соединен с бачком 15 через канал 17. При работе машины газ попадает в участок сужения 9, где, в соответствии с уравнением Бернулли, его скорость возрастает, а давление падает. Под действием перепада давления жидкость поднимается из рубашки 13 по каналу 12, потоком газа перемещается к входу в канал 14 и стекает в него под действием гравитационных сил, возвращаясь в бачок 15. Охлаждение цилиндра производится без дополнительных устройств, снижается масса и габариты машины при сохранении высокого КПД. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Ступень поршневой машины, содержащая цилиндр и размещенный в нем поршень с образованием рабочей полости, имеющей всасывающий и нагнетательный клапаны, соединенные, соответственно, с всасывающей и нагнетательной линией, которая соединена с газовым ресивером, причем цилиндр имеет жидкостную рубашку, соединенную каналами входа и выхода с устройством для прокачки жидкости, отличающаяся тем, что устройство для прокачки жидкости выполнено в виде части линии нагнетания, содержащей последовательно по ходу движения нагнетаемого газа участки сужения и расширения и соединенной в зоне перехода от сужения к расширению каналом выхода жидкости из рубашки охлаждения.

2. Ступень поршневой машины по п. 1, отличающаяся тем, что часть линии нагнетания, содержащая последовательно по ходу движения нагнетаемого газа участки сужения и расширения, в зоне перехода от сужения к расширению содержит пластину, перекрывающую с зазором сечение канала выхода жидкости из рубашки охлаждения, причем эта пластина имеет протяженность вдоль потока газа по направлению к каналу входа в рубашку охлаждения.

3. Ступень поршневой машины по п. 2, отличающаяся тем, что пластина, перекрывающая с зазором сечение канала подачи жидкости из рубашки охлаждения, имеет рифленую поверхность, обращенную в сторону упомянутого канала.

4. Ступень поршневой машины по п. 1, отличающаяся тем, что между каналом входа в рубашку охлаждения и самой рубашкой установлен резервный бачок, уровень жидкости в котором ниже зоны перехода от сужения к расширению участка линии нагнетания.

5. Ступень поршневой машины по п. 1, отличающаяся тем, что между нагнетательным клапаном и участком сужения и расширения линии нагнетания установлен дополнительный ресивер.

6. Ступень поршневой машины по п. 5, отличающаяся тем, что дополнительный ресивер имеет рубашку охлаждения, вход которой подсоединен к выходу рубашки цилиндра, а выход - к зоне перехода от сужения к расширению линии нагнетания.

7. Ступень поршневой машины по п. 1, отличающаяся тем, что часть линии нагнетания, содержащей последовательно по ходу движения нагнетаемого газа участки сужения и расширения, соединена с нагнетательным клапаном через ресивер.