RU207096U1

RU207096U1 - PISTON DETANDER

Info

Publication number: RU207096U1
Application number: RU2021115044U
Authority: RU
Inventors: Борис Александрович Грищенко; Алексей Владимирович Иванов; Владимир Викторович Илларионов; Александр Александрович Воробьёв; Михаил Владимирович Басарев; Владимир Николаевич Лакей; Александр Михайлович Кокарев
Priority date: 2021-05-25
Filing date: 2021-05-25
Publication date: 2021-10-12

Abstract

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к машинам объемного действия, в частности, поршневым детандер-компрессорным агрегатам, и может быть использована в холодильной технике, например, в криогенной технике, в воздушных холодильных установках, установках кондиционирования воздуха и т.д.Техническим результатом предлагаемого устройства является повышение надежности детандера за счет плавного повышения силы давления рабочего тела на днище поршня в момент открытия впускного клапана при нахождении поршня в ВМТ посредством дополнительного выступа на поршне, выполняющего роль газового затвора.Сущность полезной модели заключается в том, что на днище поршня 1 выполнен соосно цилиндрический выступ 7, высота которого равна величине хода поршня при угле поворота коленчатого вала на 30° относительно верхней мертвой точки поршня и диаметр выступа меньше диаметра поршня, а верхняя часть 6 цилиндра 4 содержит сужение, высота и диаметр которого соответствуют высоте и диаметру выступа 7.Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет плавно повысить силу давления рабочего тела на днище поршня в момент открытия впускного клапана при нахождении поршня в ВМТ и тем самым исключить ударное воздействие рабочего тела на днище поршня, предотвратить разрушение кривошипно-шатунного механизма, повысить ресурс и надежность детандера.The utility model relates to the field of mechanical engineering, namely to positive displacement machines, in particular, piston expander-compressor units, and can be used in refrigeration technology, for example, in cryogenic technology, in air refrigeration units, air conditioning units, etc. The technical result of the proposed device is to increase the reliability of the expander due to a smooth increase in the pressure force of the working fluid on the piston bottom at the moment of opening the intake valve when the piston is at TDC by means of an additional protrusion on the piston acting as a gas valve. piston 1 is made coaxially cylindrical protrusion 7, the height of which is equal to the length of the piston stroke at an angle of rotation of the crankshaft by 30 ° relative to the top dead center of the piston and the diameter of the protrusion is less than the diameter of the piston, and the upper part 6 of cylinder 4 contains a narrowing, the height and diameter of which correspond to the height and diameter protrude PA 7. Thus, the proposed technical solution allows you to smoothly increase the pressure force of the working fluid on the piston bottom at the moment of opening the intake valve when the piston is at TDC and thereby eliminate the shock effect of the working fluid on the piston bottom, prevent the destruction of the crank mechanism, increase the resource and expander reliability.

Description

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к машинам объемного действия, в частности, поршневым детандер-компрессорным агрегатам, и может быть использована в холодильной технике, например, в криогенной технике, воздушных холодильных установках, установках кондиционирования воздуха и т.д.The utility model relates to the field of mechanical engineering, namely to positive displacement machines, in particular, piston expander-compressor units, and can be used in refrigeration equipment, for example, in cryogenic equipment, air refrigeration units, air conditioning units, etc.

Известен поршневой детандер, включающий в себя цилиндр, в котором установлен поршень, связанный с кривошипно-шатунным механизмом (КШМ), расположенным в картере и клапан впуска, причем стенки цилиндра содержат выпускные окна, расположенные выше нижней мертвой точки поршня (НМТ) [см. Агрегат детандерный ДПВ 4,2-200/6-2. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - Омск, 1985. - 81 с.].Known piston expander, which includes a cylinder in which a piston is installed, connected to a crank mechanism (KShM) located in the crankcase and an intake valve, and the cylinder walls contain outlet ports located above the bottom dead center of the piston (BDC) [see. Expander unit DPV 4,2-200 / 6-2. Technical description and instruction manual. - Omsk, 1985. - 81 p.].

Недостатком данного детандера является низкая эффективность работы детандера по холодопроизводительности, обусловленная тем, что часть рабочего тела остается в цилиндре после рабочего хода, сжимается при обратном ходе поршня и разогревается, после чего смешивается с холодным рабочим телом, поступившим через впускной канал, и за счет конвективного теплообмена повышает его температуру.The disadvantage of this expander is the low efficiency of the expander in terms of refrigerating capacity, due to the fact that part of the working fluid remains in the cylinder after the working stroke, is compressed during the return stroke of the piston and heats up, after which it mixes with the cold working fluid that entered through the inlet channel, and due to the convective heat transfer raises its temperature.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является поршневой детандер, содержащий цилиндр, в котором установлен поршень, связанный с кривошипно-шатунным механизмом, расположенным в картере, и клапан впуска, причем стенки цилиндра содержат выпускные окна, расположенные выше НМТ поршня, а полости окон объединены общим коллектором, выпускные каналы, полость которых связана с полостью коллектора через перепускной клапан, выполненный нормально закрытым (см. патент РФ №2703843, МКП 25 В 9/00, опубл. 2019.10.22).The closest to the claimed technical solution is a piston expander containing a cylinder in which a piston is installed, connected to a crank mechanism located in the crankcase, and an intake valve, and the cylinder walls contain outlet ports located above the BDC of the piston, and the cavity of the windows are united by a common collector, outlet channels, the cavity of which is connected to the cavity of the collector through the bypass valve, which is normally closed (see RF patent No. 2703843, MKP 25 V 9/00, publ. 2019.10.22).

Недостатком данного детандера является низкая надежность из-за повышенной нагрузки на КШМ в момент нахождения поршня в верхней мертвой точке (ВМТ) при открытии впускного клапана, так как происходит ударное воздействие рабочего тела на днище поршня из-за резкого возрастания силы давления, которое может привести к снижению ресурса и разрушению КШМ детандера.The disadvantage of this expander is its low reliability due to the increased load on the KShM at the moment the piston is at top dead center (TDC) when the intake valve is opened, since the working fluid impacts on the piston bottom due to a sharp increase in the pressure force, which can lead to to reduce the resource and the destruction of the expander KShM.

Техническим результатом предлагаемого устройства является повышение надежности детандера за счет плавного повышения силы давления рабочего тела на днище поршня в момент открытия впускного клапана при нахождении поршня в ВМТ посредством дополнительного выступа на поршне, выполняющего роль газового затвора.The technical result of the proposed device is to increase the reliability of the expander due to a smooth increase in the pressure force of the working fluid on the piston bottom at the moment of opening the intake valve when the piston is at TDC by means of an additional protrusion on the piston acting as a gas seal.

Указанный технический результат достигается тем, что известный поршневой детандер, содержащий цилиндр, в котором установлен поршень, связанный с кривошипно-шатунным механизмом, расположенным в картере и клапан впуска, причем стенки цилиндра содержат выпускные окна, расположенные выше нижней мертвой точки поршня, а полости окон объединены общим коллектором, выпускные каналы, полость которых связана с полостью коллектора через перепускной клапан, выполненный нормально закрытым, согласно изобретению, отличающийся тем, что на днище поршня выполнен соосно цилиндрический выступ, высота которого равна величине хода поршня при угле поворота коленчатого вала на 30°относительно верхней мертвой точки поршня и диаметр выступа меньше диаметра поршня, а верхняя часть цилиндра содержит сужение, высота и диаметр которого соответствуют высоте и диаметру выступа.The specified technical result is achieved in that the known piston expander containing a cylinder in which a piston is installed, connected to a crank mechanism located in the crankcase and an intake valve, and the cylinder walls contain outlet ports located above the bottom dead center of the piston, and the cavity of the windows united by a common manifold, exhaust channels, the cavity of which is connected to the cavity of the collector through a bypass valve, made normally closed, according to the invention, characterized in that a cylindrical protrusion is made coaxially on the piston bottom, the height of which is equal to the piston stroke at a crankshaft angle of rotation of 30 °relative to the piston top dead center and the diameter of the protrusion is less than the diameter of the piston, and the upper part of the cylinder contains a restriction, the height and diameter of which correspond to the height and diameter of the protrusion.

Сущность полезной модели заключается в том, что на днище поршня выполнен соосно цилиндрический выступ, высота которого равна величине хода поршня при угле поворота коленчатого вала на 30° относительно верхней мертвой точки поршня и диаметр выступа меньше диаметра поршня, а верхняя часть цилиндра содержит сужение, высота и диаметр которого соответствуют высоте и диаметру выступа.The essence of the utility model is that a cylindrical protrusion is made coaxially on the piston bottom, the height of which is equal to the piston stroke at a crankshaft angle of rotation of 30 ° relative to the piston top dead center and the protrusion diameter is less than the piston diameter, and the upper part of the cylinder contains a narrowing, the height and the diameter of which corresponds to the height and diameter of the protrusion.

В известном прототипе (см. патент РФ №2703843, МКП 25 В 9/00, опубл. 2019.10.22) при работе поршневого детандера, в момент нахождения поршня в ВМТ, открывается на определенное время клапан впуска и рабочее тело под давлением поступает через впускной канал в цилиндр, и давит на поршень, заставляя двигаться его вниз, и, тем самым вращать коленчатый вал. При этом увеличивается объем рабочего тела, что сопровождается понижением его температуры. Выпускной канал и перепускной клапан в это время закрыты. На определенном угле поворота коленчатого вала (вблизи НМТ) открываются выпускные окна, и основная часть охлажденного рабочего тела по принципу прямотока поступает в общий коллектор. За счет энергии, накопленной маховиком, поршень начинает движение вверх. В это время открывается перепускной клапан, и оставшаяся часть рабочего тела направляется через полость канала потребителю. После достижения поршнем ВМТ перепускной клапан закрывается. Далее цикл повторяется.In the known prototype (see RF patent No. 2703843, MKP 25 V 9/00, publ. 2019.10.22), during the operation of the piston expander, at the moment the piston is at TDC, the inlet valve opens for a certain time and the working fluid flows under pressure through the inlet channel into the cylinder, and presses on the piston, forcing it to move downward, and thereby rotate the crankshaft. In this case, the volume of the working fluid increases, which is accompanied by a decrease in its temperature. The outlet port and bypass valve are closed during this time. At a certain angle of rotation of the crankshaft (near BDC), the outlet windows open, and the main part of the cooled working fluid enters the common manifold according to the co-flow principle. Due to the energy accumulated by the flywheel, the piston begins to move upward. At this time, the bypass valve opens, and the rest of the working fluid is directed through the channel cavity to the consumer. After the piston reaches TDC, the bypass valve closes. Then the cycle is repeated.

При этом, в момент нахождения поршня в ВМТ и начале впуска рабочего тела через клапан в цилиндр, происходит ударное воздействие рабочего тела на днище поршня из-за резкого повышения силы давления. От поршня это воздействие передается на другие детали КШМ: шатунный палец, шатун, шейку коленчатого вала. При этом, угол поворота коленчатого вала и крутящий момент на нем равны нулю, а вектор силы давления рабочего тела проходит через оси этих деталей. При угле поворота коленчатого вала от 0° до 30° от ВМТ КШМ детандера испытывает наибольшие нагрузки. Например, для детандера ДПВ-4,2-200/6-2 [см. Агрегат детандерный ДПВ 4,2-200/6-2. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - Омск, 1985. - 81 с.] сила давления рабочего тела на днище поршня в момент нахождения поршня в ВМТ может достигать величины 45000 Н.In this case, at the moment the piston is at TDC and the beginning of the admission of the working medium through the valve into the cylinder, the working medium acts on the piston bottom due to a sharp increase in the pressure force. From the piston, this effect is transmitted to other parts of the crankshaft: the connecting rod pin, the connecting rod, the crankshaft journal. In this case, the angle of rotation of the crankshaft and the torque on it are equal to zero, and the pressure vector of the working fluid passes through the axes of these parts. When the angle of rotation of the crankshaft is from 0 ° to 30 ° from TDC, the expander KShM experiences the greatest loads. For example, for the expander DPV-4,2-200 / 6-2 [see. Expander unit DPV 4,2-200 / 6-2. Technical description and instruction manual. - Omsk, 1985. - 81 S.] the pressure force of the working fluid on the piston bottom at the moment the piston is at TDC can reach 45,000 N.

Согласно полезной модели, при работе поршневого детандера, в момент нахождения поршня в ВМТ и открытия на определенное время клапана впуска, происходит плавное повышение силы давления рабочего тела на днище поршня и детали КШМ за счет дополнительного выступа на поршне, выполняющего роль газового затвора. При этом рабочее тело поступает первоначально в верхнюю часть цилиндра с меньшим диаметром и давит на выступ поршня, имеющего значительно меньшую площадь по сравнению с площадью днища поршня, что снижает силу давления на поршень пропорционально отношению площадей днища поршня и выступа, соответственно. При дальнейшем движении поршня от ВМТ к НМТ, когда угол поворота коленчатого вала достигнет величины 30°, выступ поршня выходит из суженной части цилиндра и сила давления рабочего тела начинает воздействовать на всю площадь поршня. Таким образом, происходит плавное увеличение силы давления рабочего тела на поршень и на детали КШМ детандера на угле поворота коленчатого вала от 0° до 30° от ВМТ, и устраняется ударная нагрузка на КШМ. Этим достигается указанный в полезной модели технический результат.According to the utility model, when the piston expander is operating, at the moment the piston is at TDC and the inlet valve is opened for a certain time, the pressure force of the working fluid on the piston bottom and the KShM parts smoothly increases due to an additional protrusion on the piston, which acts as a gas seal. In this case, the working fluid initially enters the upper part of the cylinder with a smaller diameter and presses on the protrusion of the piston, which has a significantly smaller area compared to the area of the piston crown, which reduces the pressure force on the piston in proportion to the ratio of the areas of the piston crown and the protrusion, respectively. With further movement of the piston from TDC to BDC, when the angle of rotation of the crankshaft reaches 30 °, the protrusion of the piston comes out of the narrowed part of the cylinder and the pressure force of the working fluid begins to affect the entire area of the piston. Thus, there is a smooth increase in the pressure force of the working fluid on the piston and on the parts of the expander KShM at the angle of rotation of the crankshaft from 0 ° to 30 ° from TDC, and the shock load on the KShM is eliminated. This achieves the technical result specified in the utility model.

Структурная схема поршневого детандера представлена: в положении поршня в ВМТ - на фигуре 1, в положении поршня при повороте коленчатого вала на 30° - на фигуре 2, где показаны: 1 - поршень; 2 - клапан впуска; 3 - впускной канал; 4 - цилиндр; 5 - коленчатый вал; 6 - верхняя суженная часть цилиндра; 7 - выступ; 8 - кривошипно-шатунный механизм (КШМ); D_ц - внутренний диаметр верхней части цилиндра; d_B - диаметр выступа; Н_ц - высота цилиндра; h_в - высота выступа; S_п - величина хода поршня при угле поворота коленчатого вала на 30° относительно ВМТ поршня.The structural diagram of the piston expander is presented: in the position of the piston at TDC - in figure 1, in the position of the piston when the crankshaft is turned by 30 ° - in figure 2, where: 1 - piston; 2 - intake valve; 3 - inlet channel; 4 - cylinder; 5 - crankshaft; 6 - the upper narrowed part of the cylinder; 7 - ledge; 8 - crank mechanism (KShM); D _c - inner diameter of the upper part of the cylinder; d _B - diameter of the protrusion; H _c - the height of the cylinder; h _in - the height of the protrusion; S _p - the size of the piston stroke at a crankshaft rotation angle of 30 ° relative to the TDC of the piston.

Поршневой детандер работает следующим образом. В момент нахождения поршня 1 в ВМТ, открывается на определенное время клапан впуска 2 и рабочее тело под давлением поступает через впускной канал 3 в цилиндр 4, и давит на поршень 1, заставляя двигаться его вниз, и, тем самым вращать коленчатый вал 5. При этом рабочее тело поступает первоначально в верхнюю часть 6 цилиндра 4 с меньшим диаметром и давит на выступ 7 поршня 1, имеющего значительно меньшую площадь по сравнению с площадью днища поршня 1, что снижает силу давления F на поршень 1 пропорционально отношению площадей днища поршня 1 и выступа 7, соответственно. При дальнейшем движении поршня 1 от ВМТ к НМТ, когда угол поворота α коленчатого вала 5 достигнет величины 30°, выступ 7 поршня 1 выходит из суженной части 6 цилиндра 4 и сила давления F рабочего тела начинает воздействовать на всю площадь поршня 1. Таким образом, происходит плавное увеличение силы давления F рабочего тела на поршень 1 и на детали КШМ 8 детандера на угле поворота коленчатого вала от 0° до 30° от ВМТ, и устраняется ударная нагрузка на КШМ 8. Этим достигается указанный в полезной модели технический результат.The piston expander works as follows. When the piston 1 is at TDC, the inlet valve 2 opens for a certain time and the working fluid flows under pressure through the inlet channel 3 into the cylinder 4, and presses on the piston 1, forcing it to move down, and thereby rotate the crankshaft 5. When In this case, the working fluid initially enters the upper part 6 of the cylinder 4 with a smaller diameter and presses on the protrusion 7 of the piston 1, which has a significantly smaller area compared to the area of the piston crown 1, which reduces the pressure force F on the piston 1 in proportion to the ratio of the areas of the piston crown 1 and the protrusion 7, respectively. With the further movement of the piston 1 from TDC to BDC, when the angle of rotation α of the crankshaft 5 reaches 30 °, the protrusion 7 of the piston 1 comes out of the narrowed part 6 of the cylinder 4 and the pressure force F of the working fluid begins to act on the entire area of the piston 1. Thus, there is a smooth increase in the pressure force F of the working fluid on the piston 1 and on the parts of the KShM 8 of the expander at the angle of rotation of the crankshaft from 0 ° to 30 ° from TDC, and the shock load on the KShM 8 is eliminated. This achieves the technical result specified in the utility model.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет плавно повысить силу давления рабочего тела на днище поршня в момент открытия впускного клапана при нахождении поршня в ВМТ и тем самым исключить ударное воздействие рабочего тела на днище поршня, предотвратить разрушение кривошипно-шатунного механизма, повысить ресурс и надежность детандера.Thus, the proposed technical solution allows you to smoothly increase the pressure force of the working fluid on the piston bottom at the moment of opening the intake valve when the piston is at TDC and thereby exclude the shock effect of the working fluid on the piston bottom, prevent the destruction of the crank mechanism, increase the resource and reliability of the expander ...

Claims

A piston expander containing a cylinder in which a piston is installed, connected to a crank mechanism located in the crankcase, and an intake valve, and the cylinder walls contain exhaust ports located above the piston bottom dead center, and the cavities of the windows are united by a common manifold, exhaust channels, the cavity of which is connected to the cavity of the collector through the bypass valve, made normally closed, characterized in that a cylindrical protrusion is made coaxially on the piston bottom, the height of which is equal to the piston stroke when the angle of rotation of the crankshaft is 30 ° relative to the piston top dead center and the diameter of the protrusion is less than the diameter piston, and the upper part of the cylinder contains a constriction, the height and diameter of which correspond to the height and diameter of the protrusion.