Спосіб роботи машини об’ємного витиснення

1. Спосіб роботи машини об'ємного витиснення, що включає утворення відкритих порожнин, наповнення їх робочим середовищем, замикання порожнин з наступною зміною їхнього об'єму за рахунок руху робочих органів для здійснення процесів стиснення та розширення, розкриття порожнин і витиснення з них робочого середовища , який відрізняється тим, що рух робочих органів, геометрія робочих порожнин і умови теплообміну забезпечують послідовну величину об'єму Vi кожної замкнутої порожнини під час процесу стиснення і/або розширення відповідно до наведеної формули: V1 Vi n 1 Винахід відноситься до машинобудування й може застосовуватися при створенні машин об'ємного витиснення (розширення), що використовують процеси стискування й розширення робочого середовища, сюди належать роторні машини, а також машини з робочими органами, що гойдаються для плинних стисливих середовищ. До даної категорії зокрема відносяться поршневі й гвинтові компресори, двигуни, детандери, спіральні й ротаційно-пластинчасті компресори. Машини, що працюють за принципом об'ємного витиснення (розширення), призначені для перетворення механічної енергії робочих органів у внутрішню енергію робочого середовища або, навпаки, при цьому кінетична енергія середовища істотно не впливає на цей процес. Відомі способи роботи об'ємних машин засновані на принципах зміни робочого об'єму усередині корпуса машини робочими органами, що рухаються, здійснюють зворотно-поступальні, обертальні або коливальні рухи. При цьому утворюються замкнуті порожнини змінного об'єму, у яких здійснюються процеси стискування або розширення робочого середовища. Розглянемо існуючий спосіб роботи машини об'ємного витиснення на прикладі компресора. Компресор призначений для переміщення стисливого середовища (газу) з області низького тиску в область високого тиску. У компресорах об'ємного витиснення це забезпечується послідовними процесами всмоктування для забезпечення надхо n (13) (19) UA (11) , де V1 - початковий об'єм замкнутої робочої порожнини; 0 1 - інтервал часу, що визначає завершеність процесу стиснення або розширення; - ступінь підвищення тиску в робочій порожнині; n - показник політропи. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що величина об'єму замкнутої порожнини у будь-який момент часу процесу стиснення і/або розширення знаходиться у діапазоні допустимих відхилень 3% у будь-який бік від його розрахункового значення. C2 1 77060 n 1 n 3 дження газу в робочу порожнину, стиснення за рахунок зменшення об'єму робочого простору, після того, як робоча порожнина стає закритою від області всмоктування, нагнітання, коли газ витісняється з робочої порожнини у вікно нагнітання. Зокрема розглянемо відомий [1] цикл роботи гвинтового компресора, який здійснюється таким чином: газ через всмоктувальний патрубок поступає в міжгвинтові западини, утворені гвинтовими парами при виході їх із зачеплення. При подальшому обертанні западини замикаються між поверхнями роторів і корпусу, зуб одного ротора входить в западини іншого, при цьому робочі поверхні роторів дуже близько підходять одна до одної, але не стикаються. Таким чином, з одночасним переміщенням лінії якнайменшого зближення роторів у напрямку до нагнітального вікна здійснюється процес стиснення газу. Процес нагнітання починається тоді, коли канал між зубами з'єднається з початком нагнітального отвору і закінчується виходом зубів із зачеплення з витисненням всього газу в нагнітальний патрубок. Істотним недоліком такого технічного рішення є те, що зміна об'єму порожнин стиснення залежить тільки від кутів повороту ведучого ротора і не враховуються термодинамічні залежності та газові сили, що відбуваються в цих порожнинах. Аналогічний процес має місце при роботі поршневого компресора [2], у якого поршень робить усередині циліндра зворотно-поступальний рух. При збільшенні об'єму робоча порожнина сполучається із всмоктувальним трубопроводом або безпосередньо з атмосферою для наповнення її робочим середовищем, при зменшенні об'єму замкнуте середовище піддається стисненню і витісняється в нагнітальний трубопровід. Недолік такого способу в тому, що зменшення об'єму робочої порожнини за рахунок руху поршня описується кутом повороту колінчатого валу і зовсім не залежить від стадій проходження термодинамічного процесу, які поршень забезпечує, в також газових сил, що виникають внаслідок цього. По технічній сутності для досягнення результату, найбільш близьким прототипом винаходу за сукупністю ознак приймається "Спосіб зміни об'єму робочих камер об'ємних машин" [3], у якому вирішується технічне завдання по збільшенню об'ємної продуктивності при стискуванні й розширенні газу за рахунок переносу його між декількома рухомими стінками робочих порожнин із одночасною зміною об'єму. Таким чином, всі існуючі способи роботи машин об'ємного витиснення включають утворення відкритих порожнин і наповнення їх робочим середовищем, подальше перетворення цих порожнин у замкнуті із зміною їх об'єму за рахунок руху робочих органів у вигляді однієї або більше рухомих стінок, що обмежують порожнину, а також розкриття порожнин і витиснення з них робочого середовища. Загальний істотний недолік всіх таких рішень виявляється у вигляді нерівномірного характеру перетворення механічної енергії робочих органів, що рухаються, в енергію робочого середовища або навпаки. Не враховується вплив термодинамі 77060 4 чного процесу і газових сил на характер руху робочих органів по зміні об'єму робочого середовища, що приводить до зростання газодинамічних втрат, пульсацій тиску, вібрацій і втрати частини енергії. Автору не відомі технічні рішення навіть у межах одного якогось заданого режиму роботи машин, які для зменшення енерговитрат описують оптимальне послідовне виконання дій робочими органами з покроковим сполученням їх руху із необхідною зміною об'єму робочих порожнин для кожного моменту часу процесу стискування і/або розширення, що мають місце при об'ємному витісненні. Для усунення вище перелічених недоліків в основі винаходу лежить технічна задача зменшення енерговитрат і підвищення надійності роботи машин об'ємного витиснення за рахунок зменшення динамічних навантажень і пульсацій робочого середовища шляхом перерахунку існуючої залежності зміни об'єму робочих порожнин від часу процесів стиснення і/або розширення. Для досягнення поставленої задачі пропонується спосіб роботи машини об'ємного витиснення, який, як і відомий, включає утворення відкритих порожнин, наповнення їх робочим середовищем, замиканні порожнин з наступною зміною їхнього об'єму за рахунок руху робочих органів для здійснення процесів стиснення та розширення, розкриття порожнин і витиснення з них робочого середовища. На відміну від відомого, в способі, що заявляється, рух робочих органів, геометрія робочих порожнин і умови теплообміну забезпечують послідовну величину об'єму Vi кожної замкнутої порожнини під час процесу стиснення і/або розширення відповідно до приведеної формули: V1 Vi n 1 n 1 n n 1 V1 - початковий об'єм замкнутої робочої порожнини; 0 1 - інтервал часу, що визначає завершеність процесу стиснення або розширення; - ступінь підвищення тиску в робочий порожнині; n - показник політропи. Таким чином, запропонований спосіб характеризується наступними відрізняючими ознаками: рух робочих органів забезпечує послідовну величину об'єму Vi кожної замкнутої порожнини під час процесу стиснення і/або розширення відповідно до приведеної формули. Послідовні положення робочих органів у вигляді однієї або більше рухомих стінок, що обмежують робочу порожнину, визначають поточний об'єм цієї порожнини в часі процесу стиснення або розширення. Швидкості руху на різних ділянках стиснення або розширення, а також траєкторія по якій рухаються робочі органи, розраховуються так, щоб забезпечити зміну об'єму кожної замкнутої порожнини відповідно до приведеної формули; 5 геометрія робочих порожнин забезпечує послідовну величину об'єму Vi кожної замкнутої порожнини під час процесу стиснення і/або розширення відповідно до приведеної формули. Геометрична форма і розмір рухомих і нерухомих стінок, що обмежують робочу порожнину, розраховується так, щоб в поєднанні з рухом робочих органів забезпечувати зміну об'єму кожної закритої робочої порожнини відповідно до приведеної формули; умови теплообміну забезпечують послідовну величину об'єму Vi кожної замкнутої порожнини під час процесу стиснення і/або розширення відповідно до приведеної формули. Умови теплообміну характеризують режим підведення і відведення тепла від стінок робочих порожнин, впливають на параметри робочого середовища, на точність розрахунків і є додатковою ознакою. У формулі теплообмін представлений середнім значенням показника політропи, який може відрізнятися на різних проміжках часу залежно від способу охолоджування, технічного його здійснення і конструктивних особливостей машини. Для точності розрахунків значення показника політропи може задаватися разом з початковими даними для кожного конкретного діапазону тиску і температур або по інтервалам часу, наприклад, рівномірно змінюватися від значення n1 до n2 по формулі, n=n1+ (n2-n1), де n1 - показник політропи на початку процесу стиснення або розширення; n2 - показник політропи в кінці процесу стиснення або розширення; 0 1 - інтервал часу, що визначає завершеність процесу стиснення або розширення; величина об'єму замкнутої порожнини у будьякий момент часу процесу стиснення і/або розширення знаходиться у діапазоні допустимих відхилень 3% у будь-яку сторону від його розрахункового значення. Величина об'єму замкнутої порожнини в процесі стиску або розширення збігається з розрахунковими значеннями формули п.1 з можливою неточністю не більше ніж на 3%. Відрізняючі ознаки нерозривно пов'язані з технічним результатом і мають позитивні якості, які відсутні в прототипі та в інших відомих рішеннях. Ці якості виявляються в тому, що при виконанні робочими органами послідовності рухів із зміною об'єму замкнутих порожнин забезпечується більш рівномірне, в порівнянні з існуючими технічними рішеннями, перетворення механічної енергії робочих органів машини у внутрішню енергію робочого середовища або навпаки. Внаслідок цього зменшуються пульсації тиску в робочих порожнинах та втрати частини енергії, підведеної до газу, зменшуються інерційні сили і пов'язані з ними динамічні навантаження на опори, знижується рівень вібрації і шуму. Відбувається перерозподіл тиску в порожнині, а також величин газових сил і моментів, які діють на підшипники і збільшуються разом із зростанням перепаду тисків. В результаті цього, стосовно до компресора, в деяких випадках можна уникнути небажаного переходу на багатоступінчате стиснення через недостатню несучу здатність підшипників, жорсткість роторів і підвищити ступінь підвищення тиску в одній ступені. 77060 6 Перераховані вище відмітні ознаки є достатніми для вирішення поставленої задачі, а саме зменшення енерговитрат і підвищення надійності роботи машин об'ємного витиснення за рахунок зменшення динамічних навантажень і пульсацій робочого середовища шляхом перерахунку існуючої залежності зміни об'єму робочих порожнин від часу процесів стиснення і/або розширення. Суть винаходу пояснюється малюнками. На Фіг.1 - показана індикаторна діаграма. На Фіг.2 - приклад процентної залежності об'єму робочої порожнини, а також тиску і питомої роботи компресора за часом процесу стиснення. Суть заявленого способу роботи об'ємної машини полягає в тому, що стиснення і/або розширення робочого середовища проводять при підтримці постійної питомої роботи зміни тиску в кожній робочій порожнині на всіх однакових за часом ділянках процесу стиснення і/або розширення шляхом зміни об'ємів робочих порожнин в необхідній для цього мірі. Ця міра визначається вищеописаною формулою. Підтримка постійної питомої роботи на всіх однакових за часом ділянках процесу стиснення або розширення графічно виражається рівністю площ, описуваних за однаковий час на індикаторній діаграмі, що наглядно показано на Фіг.1. Технічне здійснення заявленого способу. На прикладі компресора для стиснення повітря при стандартних початкових умовах з внутрішнім ступенем підвищення тиску =5 та показником політропи рівному показнику адіабати n=k=1,4 виконали розрахунок об'єму робочої порожнини по приведеній формулі. Результат такого розрахунку у вигляді процентної залежності об'єму робочої порожнини, а також тиску і питомої роботи компресора від часу процесу стиснення в одній порожнині показаний на Фіг.2. Форма приведених кривих залежить тільки від показника політропи і ступеня підвищення тиску, на неї не впливають параметри газу на всмоктуванні. По одержаній залежності об'єму робочої порожнини від часу процесу стиснення згодом можна розрахувати рух робочих органів, геометрію робочої порожнини в робочому діапазоні тиску і температур, а також прийняти конкретне конструктивне рішення у вигляді пристрою для його здійснення. Пристроями для здійснення стиснення за заявленим способом можуть бути гвинтові компресори, де робочі гвинти: виконані із змінним осьовим ходом; мають змінний зовнішній діаметр і є конічною гвинтовою парою; мають змінні внутрішні діаметри; мають кілька різних ділянок з постійними/змінними діаметрами по довжині і/або з постійним/змінним осьовим ходом; розташовані на валах, що схрещуються; мають змінну геометрію профілів зубів по довжині гвинта. Заявлений спосіб можна застосувати в поршневих компресорах з поршнями, що рухаються зворотно-поступально в робочих циліндрах за допомогою шатунів, коли: 7 77060 шатун має змінну довжину і виконаний у вигляді гідропоршня, управління яким забезпечується з допомогою датчиків тиску або температури, розміщених в робочих порожнинах; робочі шатуни приводяться в рух за допомогою кривошипно-шатунного механізму, розташованого на валах, що ексцентричне обертаються, або за допомогою спеціально розрахованого кулісного механізму; робочі шатуни приводяться в рух за допомогою декількох сервоприводів; застосовується кулачковий механізм; додатковий шатун і поршень встановлено в робочій порожнині, який разом з основним забезпечує розрахункову залежність об'єму робочої порожнини від часу процесу стиснення згідно способу, що заявляється. Пристроєм для здійснення даного способу також може бути: поршневий компресор з поршнями, що рухаються зворотно-поступально в робочих циліндрах за допомогою лінійного двигуна на соленоїдній котушці, де швидкість руху поршня визначають на основі розрахунків необхідного об'єму порожнин стиснення по формулі в п.1, а також можливим додатковим зниженням енерговитрат при стисненні робочого середовища шляхом регулювання руху лінійного двигуна за допомогою датчиків тиску або температури, що розміщені в порожнинах стиснення; прямозубий роторний компресор, у якого форма робочих роторів забезпечує під час процесу стискування необхідну послідовність величин об'ємів робочих порожнин, які розраховані по формулі п.1; спіральний компресор, у якого форма спіралей забезпечує під час процесу стискування необхідну Комп’ютерна верстка А. Рябко 8 послідовність величин об'ємів робочих порожнин, які розраховані по формулі п.1; ротаційно-пластинчастий компресор, у якого форма стінок робочих порожнин відмінна від циліндричної і визначається необхідними послідовностями величин об'єму в порожнинах стиснення, які розраховані по формулі п.1; інші конструктивні рішення, в яких форма та кінематика робочих органів разом з формою стінок робочих порожнин забезпечують під час процесу стискування і/або розширення необхідні послідовності величин об'ємів кожної робочої порожнини, що розраховані по формулі п.1 для забезпечення роботи машини за заявленим способом. Спосіб може застосовуватися як засіб підвищення ефективності машин об'ємного витиснення при зміні режимів її роботи, а також для здійснення регулювання ефективністю за допомогою датчиків тиску або температури, що розміщені в робочих порожнинах. Заявлене технічне рішення в порівнянні із прототипом та іншими відомими технічними рішеннями має значні переваги для зменшення енерговитрат при роботі машин об'ємного витиснення, дозволяє зменшити інерційні сили і пов'язані з ними опори, знизити рівень вібрації, динамічні навантаження на підшипники, що позитивно позначиться на довговічності машини, а також зменшить рівень шуму. Джерела інформації: 1. Андреев П.Д., Винтовые компрессорные машины. Л., Судпромгиз, 1961, с.13-17. 2. Френкель М.И., Поршневые компрессоры, Издательство "Машиностроение", Ленинград, 1969, с.5. 3. WO 00/34661, PCT/RU99 00466, Способ изменения объема рабочих камер объемных машин, МПК F04C18/46 F01C1/100, 1/16 - прототип. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601