Компенсатор для сглаживания пульсаций жидкости

Изобретение относится к трубопроводному транспорту и используется в трубопроводах различного назначения с неравномерной подачей перекачиваемой жидкости. Компенсатор содержит, по крайней мере, один сильфон, открытый торец которого предназначен для подсоединения посредством втулки к камере, а противоположный торец сильфона выполнен глухим. Сильфон выполнен, по меньшей мере, с одной широкой или высокой гофрой. Компенсатор может быть выполнен, по крайней мере, из двух сильфонных элементов, расположенных соосно и предназначенных для сообщения их внутренних полостей с полостью камеры. Сильфонные элементы расположены последовательно друг за другом вдоль их продольной оси и соединены втулками с отверстиями. Даны соотношения размеров гофр сильфонов. Расширяет арсенал технических средств. 9 з.п. ф-лы, 13 ил.

 

Изобретение относится к конструкциям для компенсации пульсаций жидкостей и может быть использовано в различных машинах и механизмах, в камеры которых жидкость подается неравномерно, преимущественно для компенсации пульсации давления топлива в контуре низкого давления топливного насоса высокого давления (ТНВД).

Известен сильфон, содержащий корпус, выполненный из узких гофр и, по меньшей мере, одной широкой гофры, стенки которых сопряжены между собой выпуклыми поверхностями и вогнутыми поверхностями соответственно, а выпуклые поверхности и вогнутые поверхности выполнены в продольном сечении корпуса в виде полуокружностей. (Патент РФ №2173804, F 16 J 3/04, опубл. 2001 г.).

В этом сильфоне отношение радиуса R выпуклой поверхности широкой гофры к радиусу r выпуклой поверхности узкой гофры выбрано в диапазоне от 1,5 до 2,5, отношение высоты Н между выпуклой поверхностью широкой гофры и сопряженной с ней вогнутой поверхностью узкой гофры к высоте h между выпуклой поверхностью и вогнутой поверхностью узкой гофры - в диапазоне от 0,5 до 1,5, отношение радиуса R₁ вогнутой поверхности между широкой гофрой и узкой гофрой к радиусу r₁ вогнутой поверхности между узкими гофрами - в диапазоне от 1,0 до 2,2.

Этот сильфон ранее не был предназначен для его функционирования в качестве гидрокомпенсатора.

Известен гидрокомпенсатор, содержащий сильфон, открытый торец которого предназначен для подсоединения к камере (Патент США №4324276, F 16 L 55/04, опубл. 1982 г.).

Устройство содержит пружину, уплотнительные прокладки, а также шариковый клапан для подачи жидкости внутрь сильфона при увеличении некоторого порогового значения давления жидкости в камере.

Ограничением конструкции является недостаточная величина сглаживания пульсаций и сложность конструкции. Гофры сильфона в его продольном сечении выполнены одинаковыми по ширине и волнообразньми, что не позволяет эффективно гасить пульсации давления жидкостей, поэтому в конструкции используется клапан.

Известно устройство для сглаживания пульсаций жидкости, выполненное из сильфона, размещенного в корпусе, один торец которого подсоединен к корпусу, а другой сообщен с трубопроводом, подсоединенным к камере (Патент США №6230684, F 02 М L 37/04, опубл. 2001 г.).

В этом техническом решении жидкость при пульсациях заполняет полость между наружной поверхностью сильфона и корпусом. В таком гидрокомпенсаторе используется силовая характеристика упругости сильфона и площадь его заглушенного торца (поршня). Устройство работает как амортизатор избыточного давления жидкости, на который воздействует ее пульсирующий поток. Жидкость, поступая в компенсатор, омывает внешнюю поверхность сильфона, который находится под постоянньм воздействием жидкости в одном определенном диапазоне частоты пульсаций.

Недостатком устройства является недостаточная величина коэффициента сглаживания.

Известно устройство для сглаживания пульсаций, содержащее, по крайней мере, два сильфона, расположенных соосно и предназначенных для сообщения их внутренних полостей с полостью камеры (Заявка Германии №3228080, F 02 М 61/10, опубл. 1984 г.).

В этом устройстве сильфоны расположены коаксиально (один в другом). Устройство содержит также подпружиненный клапан для подачи жидкости внутрь сильфона при увеличении некоторого порогового значения давления жидкости в камере, втулки, в отверстии которых расположен шток клапана и которые закреплены на обоих торцах сильфона. На наружной поверхности штока клапана выполнен продольный паз, обеспечивающий прохождение жидкости в полость внутреннего сильфона. На обращенной к отверстию клапана поверхности одной из втулок выполнен кольцевой паз и продольные отверстия, обеспечивающие перетекание жидкости со стороны наружной поверхности внешнего сильфона в большую полость между ним и корпусом. В результате в гашении пульсаций жидкости участвуют две полости для двух сильфонов: одна - расположенная внутри внутреннего сильфона, и другая, большего объема, расположенная с внешней стороны наружного сильфона. При малых величинах пульсации жидкости работает внутренний сильфон, при больших пульсациях жидкости, когда полость внутреннего сильфона заполнена жидкостью, начинает работать по сглаживанию пульсаций внешняя полость наружного сильфона.

Преимуществом этого технического решения по сравнению с другими аналогами является использование двух сильфонов для сглаживания как малых пульсаций, так и значительных по величине.

Ограничением конструкции являются:

- недостаточная эффективность сглаживания малых пульсаций из-за одновременного перетекания жидкости в полость внутреннего сильфона и в наружную полость между внешним сильфоном и корпусом. Действительно, внутренний сильфон начинает работать на расширение только после открытия клапана при полном заполнении внутреннего объема внутреннего сильфона. При уменьшении давления в камере и при малых пульсациях жидкость свободно перетекает из внутренней полости внутреннего сильфона обратно в камеру, при этом гофры сильфонов не работают на сжатие, если полость внутреннего сильфона не была полностью заполнена жидкостью, а его гофры не были в состоянии растяжения. Возврат жидкости может происходить только от воздействия пружины штока клапана на торце сильфона, но такое воздействие практически сразу закрывает клапан;

- недостаточная эффективность сглаживания больших пульсаций, поскольку при больших пульсациях наружный сильфон на сглаживание пульсаций никак не влияет. Действительно, при больших пульсациях и при полном заполнении полости внутреннего сильфона жидкость под давлением поступает в полость между наружным сильфоном и корпусом. В сглаживании больших величин пульсаций участвует только эта большая полость, а само сглаживание осуществляется только за счет перетекания жидкости в большую полость через отверстия во втулке. Гофры наружного сильфона не растягиваются. При сбросе пульсации большой величины гофры наружного сильфона также не сжимаются до тех пор, пока не начинается выход жидкости из полости внутреннего сильфона. По существу наружный сильфон служит лишь для обеспечения свободного сжатия гофр внутреннего сильфона при вытекании из его полости жидкости;

- устройство способно сглаживать пульсации только в одном амплитудном и частотном диапазоне, поскольку расширение и сжатие гофр внутреннего сильфона происходит только для пульсаций жидкости определенной амплитуды и частоты;

- устройство способно эффективно сглаживать только некоторые усредненные величины пульсаций, когда пульсации соответствуют некоторой ограниченной величине полного заполнения объема полости внутреннего сильфона. Устройство не обладает широким диапазоном сглаживания как средних, так малых и больших величин амплитуд пульсаций жидкости;

- сложность конструкций из-за большого числа деталей и вследствие этого недостаточную надежность и период времени эксплуатации. Такую конструкцию нецелесообразно использовать, например, для компенсации пульсации давления топлива в контуре низкого давления топливного насоса высокого давления (ТНВД).

Известен компенсатор для сглаживания пульсаций жидкости, содержащий сильфон, открытый торец которого предназначен для подсоединения к камере (Патент США №5407329, F 16 К 17/06, опубл. 1982 г.).

Конструкция также содержит шариковый клапан, установленный на открытом торце сильфона, для подачи жидкости внутрь сильфона при увеличении некоторого порогового значения давления жидкости в камере.

Ограничением конструкции является ее сложность и недостаточная стабилизация и сглаживание пульсаций в широком диапазоне амплитуд и частот пульсаций. Гофры сильфона в его продольном сечении выполнены одинаковыми и треугольной формы. Такая форма гофр не позволяет эффективно гасить пульсации давления жидкости, поэтому в конструкции также используется клапан.

Решаемая изобретением задача - повышение качества и надежности устройства, улучшение технико-эксплуатационных характеристик при его функционировании в условиях периодического воздействия жидкостей, улучшение качества сглаживания пульсаций жидкости и расширение диапазона сглаживания.

Технический результат, который может быть получен при выполнении устройства, - стабилизация и сглаживание пульсаций в широком диапазоне амплитуд и частот пульсаций, повышение давления в рабочей камере и поддерживание избыточного давления жидкости на оптимальном рабочем уровне, упрощение конструкции.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата компенсатор для сглаживания пульсаций жидкости содержит, по крайней мере, один сильфон, открытый торец которого предназначен для подсоединения к камере посредством втулки, а противоположный торец сильфона выполнен глухим, причем сильфон выполнен, по меньшей мере, с одной широкой гофрой относительно его узких гофр, а ширина Т широкой гофры выбрана удовлетворяющей соотношению 1,0<T/t<1,5, где t - ширина узкой гофры.

Возможны дополнительные варианты выполнения заявленного компенсатора, в которых целесообразно, чтобы:

- стенки гофр сильфона были выполнены в виде колец, расположенных перпендикулярно продольной оси и сопряженных между собой выпуклыми поверхностями и вогнутыми поверхностями соответственно, а выпуклые поверхности и вогнутые поверхности были выполнены в продольном сечении в виде полуокружностей, причем отношение радиуса выпуклой поверхности широкой гофры к радиусу выпуклой поверхности узкой гофры выбрано в диапазоне 1,1-1,49;

- сильфон был выполнен, по меньшей мере, с одной высокой гофрой относительно других гофр, а высота Н высокой гофры была выбрана удовлетворяющей соотношению 1,0<H/h<2,5, где h - высота других гофр;

- глухой торец сильфона был подпружинен;

- сильфон был выполнен, по крайней мере, из двух сильфонных элементов, расположенных соосно и предназначенных для сообщения их внутренних полостей с полостью камеры, причем сильфонные элементы были расположены последовательно друг за другом вдоль их продольной оси и снабжены второй втулкой с отверстием, первый сильфонный элемент предназначен для подсоединения к камере посредством упомянутой первой втулки с отверстием, закрепленной на его торце, второй сильфонный элемент соединен с первым сильфонным элементом посредством второй втулки с отверстием, закрепленной на обращенных друг к другу торцах первого и второго сильфонных элементов, а другой торец второго сильфонного элемента выполнен глухим, причем площадь эффективного сечения одного из сильфонных элементов была выполнена большей, чем площадь эффективного сечения другого сильфонного элемента;

- площадь эффективного сечения первого сильфонного элемента была выполнена большей, чем площадь эффективного сечения второго сильфонного элемента, а диаметр отверстия первой втулки был выполнен большим, чем диаметр отверстия второй втулки;

- сильфон был снабжен упором и корпусом, расположенным снаружи сильфонных элементов и закрепленным на наружной поверхности первой втулки, а упор был установлен в корпусе с обеспечением опоры на глухой торец второго сильфонного элемента;

- упор был выполнен регулируемым с обеспечением возможности изменения длины сильфонных элементов вдоль их продольной оси;

- ширина гофр одного из сильфонных элементов была выполнена большей, чем ширина гофр другого сильфонного элемента;

- по крайней мере, один из сильфонных элементов был выполнен, по крайней мере, с одной более высокой гофрой, чем другие его гофры.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшими вариантами его выполнения со ссылками на прилагаемые фигуры.

Фиг.1 схематично изображает продольное сечение компенсатора,

фиг.2 - гофры сильфона, схематично;

фиг.3 - то же, что фиг.1, когда сильфон подпружинен;

фиг.4 - то же, что фиг.1, с двумя сильфонными элементами;

фиг.5 - то же, что фиг.4, с корпусом и упором;

фиг.6 - эпюра изменения давления в камере во времени, в частности в полости низкого давления топливного насоса высокого давления (ТНВД), без компенсатора;

фиг.7 - то же, что фиг.6, с компенсатором, выполненным из одного сильфонного элемента, как показано на фиг.1;

фиг.8 - то же, что фиг.6, для другого ТНВД;

фиг.9 - то же, что фиг.8, с компенсатором, выполненным из двух сильфонных элементов, как показано на фиг.4;

фиг.10 - частотные характеристики в контуре низкого давления ТНД без компенсатора и с компенсатором, выполненным как показано на фиг.1;

фиг.11 - характеристики изменения давления в контуре низкого давления ТНВД без компенсатора и с компенсатором, выполненным, как показано на фиг.1;

фиг.12 - то же, что фиг.11, без компенсатора и с компенсатором, выполненным, как показано на фиг.4;

фиг.13 - то же, что фиг.11, с компенсатором, выполненным, как показано на фиг.5, и с компенсатором на фиг.5, сжатым на 60%.

Компенсатор для сглаживания пульсаций жидкости (фиг.1, 2) содержит, по крайней мере, один сильфон 1, открытый торец 2 которого предназначен для подсоединения к камере (на фиг.1, 2 не показана). Противоположный торец 3 сильфона 1 выполнен глухим. Сильфон 1 выполнен, по меньшей мере, с одной широкой гофрой 4 относительно его узких гофр 5. Ширина Т широкой гофры 4 выбрана удовлетворяющей соотношению 1,0<T/t<1,5, где t - ширина узкой гофры 5. На фиг.1 также показаны: заглушка 6, втулка 7 с отверстием 8 для подсоединения к камере.

Стенки гофр сильфона 1 могут быть выполнены в виде колец, расположенных перпендикулярно продольной оси и сопряженных между собой выпуклыми поверхностями и вогнутыми поверхностями соответственно. Выпуклые поверхности и вогнутые поверхности выполнены в продольном сечении в виде полуокружностей.

Отношение радиуса R выпуклой поверхности широкой гофры 4 к радиусу r выпуклой поверхности узкой гофры 5 выбрано в диапазоне 1,1-1,49.

Сильфон 1 может быть выполнен, по меньшей мере, с одной высокой гофрой относительно других гофр. Высота Н высокой гофры выбрана удовлетворяющей соотношению 1,0<H/h<2,5, где h - высота других гофр.

Глухой торец 3 сильфона 1 может быть подпружинен посредством снабжения компенсатора корпусом 9 и пружиной 10 (фиг.3). Корпус 9 закреплен на втулке 7. Пружина 10 установлена в зазоре между глухим торцом 3 и корпусом 9.

Компенсатор для сглаживания пульсаций жидкости (фиг.4, 5) может содержать сильфон 1, выполненный, по крайней мере, из двух сильфонных элементов 11 и 12, расположенных соосно и предназначенных для сообщения их внутренних полостей с полостью камеры (на фиг.4 и 5 не показана). В качестве камеры может быть использована камера насоса или магистраль для передачи жидкостного потока, перемещающегося в магистралях и устройствах с большой скоростью и обладающего пульсациями апмлитудно-частотной нестабильности. Сильфонные элементы 11 и 12 расположены последовательно друг за другом вдоль их продольной оси и снабжены втулками 13 и 14 с отверстиями 15 и 16 соответственно. Первый сильфонный элемент 11 предназначен для подсоединения к камере посредством первой втулки 13 с отверстием 15, закрепленной на торце первого сильфонного элемента 11. Второй сильфонный элемент 12 соединен с первым сильфонным элементом 11 посредством второй втулки 14 с отверстием 16. Вторая втулка 14 закреплена на обращенных друг к другу торцах первого и второго сильфонных элементов 11 и 12. Другой торец второго сильфонного элемента 12 выполнен глухим. Например, за счет использования заглушки 17. Площадь эффективного сечения первого сильфонного элемента 11 выполнена большей, чем площадь эффективного сечения второго сильфонного элемента 12.

Диаметр отверстия 15 первой втулки 13 может быть выполнен большим, чем диаметр отверстия 16 второй втулки 14.

Компенсатор может быть снабжен упором 18 и корпусом 19 (фиг.5). Корпус 19 расположен снаружи сильфонных элементов 11 и 12 и закреплен на наружной поверхности первой втулки 13. Упор 18 установлен в корпусе 19 с обеспечением опоры на глухой торец - заглушку 17 второго сильфонного элемента 12.

Упор 18 может быть выполнен регулируемым с обеспечением возможности изменения длины L₁ и L₂ сильфонных элементов 11 и 12 вдоль их продольной оси.

Кроме того, ширина гофр одного из сильфонных элементов, например, первого сильфонного элемента 11, может быть выполнена большей, чем ширина гофр другого сильфонного элемента, например, второго сильфонного элемента 12 (фиг.4, 5).

По крайней мере, один из сильфонных элементов, например, первый сильфонный элемент 11, может быть выполнен, по крайней мере, с одной более широкой гофрой, чем другие его гофры (фиг.4).

По крайней мере, один из сильфонных элементов, например, второй сильфонный элемент 12, может быть выполнен, по крайней мере, с одной более высокой гофрой, чем другие его гофры (фиг.4, 5).

Компенсатор (фиг.1) работает следующим образом.

При пульсации жидкости в камере, например, в контуре низкого давления ТНВД при рабочем давлении до 2 кг/см², она через открытый торец 2 сильфона 1 поступает внутрь него и пульсирующая струя воздействует на узкие гофры 5 и широкую гофру 4, заставляя сильфон 1 разжиматься в направлении давления струи и сжиматься при снижении давления струи. При выборе ширины Т широкой гофры 4 удовлетворяющей соотношению 0,1<T/t<1,5, где t - ширина узкой гофры 5, как показали испытания, удается эффективно сглаживать пульсации в широком частотном диапазоне. При выходе за указанные пределы, конечно же, все равно происходит сглаживание пульсаций. Однако, как показали испытания, при заданной величине коэффициента сглаживания КС указанный диапазон размеров для ширины широкой гофры относительно ширины узких гофр является оптимальным.

Поскольку сильфон 1 имеет широкую гофру 4 геометрия узких гофр 5 и широкой гофры 4 изменила характер нагрузки на узкие гофры 5 и в целом на сильфон 1 независимо от формы гофр сильфона (в продольном сечении треугольной, выполненной в виде трапеции или с овальными стенками) длины и диаметра сильфона 1, а также места расположение широкой гофры 4. Увеличилась устойчивость сильфона 1, нагруженного внутренним давлением и осевым усилием, а также стабилизация и сглаживание пульсаций в широком диапазоне амплитуд и частот пульсаций. Широкая гофра 4 подвержена большему сжатию-расширению по сравнению с узкими гофрами 5, но ее ширина как раз выбрана такой, чтобы обеспечить наибольшее сглаживание пульсаций в широком частотном диапазоне. Узкие гофры 5 работают с симметричным распределением нагрузки и с одинаковой величиной хода независимо от частотной характеристики пульсаций, других геометрических размеров гофр, их количества и симметрии расположения. При этом при протекании жидкостной струи на широкой гофре 4 происходит перепад давления, который гасит энергию струи и снижает ее давление на узкие гофры 5, поэтому установка клапана на входе сильфона 1 не требуется. Без установки клапана достигается повышение давления в рабочей камере и поддерживание избыточного давления жидкости на оптимальном рабочем уровне.

При выполнении стенок гофр сильфона 1 сопряженными выпуклыми и вогнутыми поверхностями в виде полуокружностей удается уменьшить нагрузку на критические места конструкции, а эпюра напряженностей по отдельным узким гофрам 5 и широкой гофре 4 имеет плавный характер и приблизительно одинаковое значение. За счет этого удается уменьшить концентрацию напряжений в вершинах выпуклых и вогнутых поверхностей широкой гофры 4 и в наибольшей степени обеспечить перераспределение нагрузки по узким гофрам 5.

Для удовлетворения указанного отношения T/t ширины широкой гофры 4 и узких гофр 5 отношение радиуса R выпуклой поверхности широкой гофры 4 к радиусу r выпуклой поверхности узкой гофры 5 должно быть выбрано в диапазоне 1,1-1,49.

Сильфон 1 может быть выполнен, по меньшей мере, с одной высокой гофрой относительно других гофр. Трансформация высоты какой-либо из гофр сильфона 1 также позволяет изменить жесткость сильфона 1 и ход широкой гофры 4 и узких гофр 5. Как показали испытания, размер Н выбирается исходя из конкретной зависимости изменения давления в камере (фиг.6, 8). Для эффективного сглаживания пульсаций высота Н высокой гофры может быть выбрана удовлетворяющей соотношению 1,0<H/h<2,5, где h - высота других гофр.

Глухой торец 3 сильфона 1 может быть подпружинен пружиной 10 (фиг.3). Поскольку витки пружины 10 имеют различную величину хода при различном избыточном давлении жидкости внутри сильфона 1, то такая конструкция позволяет эффективно сглаживать максимальные значения амплитудных пульсаций.

Конструкция компенсатора может иметь два сильфонных элемента 11, 22 (фиг.4, 5) и более сильфонов в зависимости от характера частотной и амплитудной пульсации, которую требуется скомпенсировать в конкретном оборудовании. Каждая из ступеней с сильфонными элементами 11 и 12 рассчитывается на свою частотную и амплитудную составляющую пульсации потока жидкости в камере или в рабочей магистрали с избыточным давлением и воздействует на пульсацию потока рабочей среды (жидкости), уменьшая ее частоту биений и амплитуду пульсаций, сохраняя избыточное давление на оптимальном рабочем уровне. Каждая из ступеней с первым сильфонным элементом 11 и вторым сильфонным элементом 12 представляет собой сильфонный резонатор для протекающей с большой скоростью (скорость звука в жидкости) рабочей среды. При пульсациях жидкость через отверстия 15 и 16 заполняет полости сильфонных элементов 11 и 12, а сильфонные элементы 11 и 12 сильфона 1 взаимодействуют с пульсирующей жидкостью в своем амплитудном и частотном диапазоне.

От геометрических размеров первого и второго сильфонных элементов 11 и 12, а также их отношений впрямую меняются силовые, частотные и амплитудные характеристики сильфонных резонаторов.

Жидкость через входной канал с сечением а₁ отверстия 15 поступает в объем первого сильфонного элемента 11 и заполняет его. Через переходной канал с сечением а₂ отверстия 16 жидкость заполняет объем второго сильфонного элемента. Избыточное давление жидкости воздействует на стенки сильфона 1. При воздействии избыточного давления сильфон 1 изменяет свои геометрические размеры: увеличивается длина первого и второго сильфонных элементов 11 и 12, уменьшается площадь сечения каждого сильфонного элемента 11 и 12. Причем длина первого и второго сильфонных элементов 11 и 12, а также их площадь поперечного сечения изменяется на различную величину, т.к. жесткость первого и второго сильфонных элементов различная. При этом объем первого и второго сильфонного элементов 11 и 12 сохраняется, а также сохраняются проходные сечения а₁ и а₂ отверстий 15 и 16.

Так как площадь поперечного сечения первого и второго сильфонных элементов 11 и 12 в любой момент времени Δ t имеет свой размер - изменяется в зависимости от величины давления в объеме сильфона 1, то эту изменяющуюся площадь А обозначим символом F_эф и примем ее за площадь эффективного сечения сильфона 1 в момент времени Δ t. F_эф≈А, где - А площадь поперечного сечения сильфона 1 между выступами его гофр.

Например, в магистрали низкого давления при работе подкачивающего насоса, физических свойств поверхности, от воздействия плунжеров высокого давления при заборе топлива из магистрали низкого давления происходят сложные пульсации и колебательные процессы (фиг.6, 8), которые передаются через входной канал в сильфон 1 (фиг.1, 3) или в объем первого сильфонного элемента 11 и в объем второго сильфонного элемента 12 (фиг.4, 5). Компенсатор реагирует на изменение давления относительно исходного. Если давление в камере или магистрали падает, компенсатор его восстанавливает за счет упругости сильфона 1 на какую-то величину Δ р.

Максимальное избыточное давление Δ Р имеет следующую зависимость:

где ς ₁ - масса единицы объема жидкости в первом сильфонном элементе 11,

ς ₂ - масса единицы объема жидкости во втором сильфонном элементе 12,

L - длина сильфона,

V - скорость потока жидкости,

t - время прерывания (время закрытия клапана на магистрали низкого давления со стороны плунжера).

Максимальное избыточное давление Δ Р зависит от геометрических размеров сильфона 1, количества сильфонных элементов, их объемов, физических характеристик жидкости, например, дизельного топлива. Если давление в магистрали низкого давления ТНВД возрастает, сильфон 1 как упругая система изменяет свои размеры и реагирует на изменения в магистрали на величину Δ Р.

Инерционность системы реагирования на изменения давления зависят от проводимости системы гидрокомпенсатора. Это - акустическая проводимость μ , она же характеризует реакцию компенсатора на изменение давления Δ Р и выражается следующим соотношением:

где μ для первого и второго сильфонного элемента 11 и 12 имеет свою величину, т.к. каждая ступень имеет свои геометрические размеры и свою конструкцию, в частности ширину гофр. В зависимости от величины μ каждая ступень компенсатора - первый и второй сильфонные элементы 11 и 12 реагируют на определенную частоту пульсаций. Это зависит от частоты собственных колебаний компенсатора (каждой из ступеней).

Частота f_n собственных колебаний ступени (одного из сильфонных элементов) компенсатора может быть представлена выражением:

где с - скорость звука в жидкости,

π =3,14,

V - скорость потока жидкости,

L - длина сильфона 1 или, соответственно, длина L₁ и длина L₂ первого или второго сильфонного элемента 11 или 12,

F_эф≈А, где А - площадь поперечного сечения сильфона 1 (фиг.1) между выступами его гофр или эффективная площадь первого или второго сильфонного элемента 11 или 12 соответственно, F_эф1 и F_эф2 (фиг.4).

Частота f_n больше зависит от линейной длины сильфона 1, и если:

то частота f_n собственных колебаний сильфонного резонатора будет выражена уравнением:

А если , то частота f_n собственных колебаний сильфонного резонатора

Это позволяет конструировать компенсатор, реагирующий на сглаживание пульсаций в широком частотном диапазоне за счет выбора соответствующего числа ступеней сильфонных элементов.

От геометрических размеров и их отношений, от геометрии применяемых сильфонных элементов и их параметров зависят силовые, частотно-амплитудные характеристики сильфонного резонатора и, соответственно, компенсатора в целом.

Коэффициент сглаживания пульсаций (КС) является очень важным показателем и может быть выражен соотношением:

где F_эф≈А, где А - площадь поперечного сечения сильфона между выступами его гофр.

КС зависит от площади F_эф эффективного сечения сильфона 1 и от площади сечения а входного отверстия втулки (фиг.1) или, соответственно, от F_эф первого и второго сильфонных элементов 11 и 12 и их сечений a₁ и а₂ (фиг.4).

Коэффициент стабилизации сильфонного компенсатора КС должен быть максимальным для каждой конкретной конструктивной модели компенсатора. Этот параметр КС наиболее эффективен, когда он находится в пределах определенных отношений:

Эти величины характеризуют отношение площади сечения входного канала компенсатора к эффективной площади сечения применяемого сильфона 1 в его поперечном сечении. F_эф - переменная величина в каждый момент времени работы компенсатора, и она зависит от осевой нагрузки, от частотно-амплитудной пульсации жидкости и в объеме сильфона 1, а также от величины избыточного давления АР.

При выполнении компенсатора в варианте двух сильфонных элементов 11 и 12 для сглаживания пульсаций в широком диапазоне амплитуд и частот необходимо и достаточно, чтобы площадь эффективного сечения одного из сильфонных элементов была выбрана большей, чем площадь эффективного сечения другого сильфонного элемента. Причем ширина Т широкой гофры по меньшей мере одного из сильфонных элементов должна быть выбрана удовлетворяющей соотношению 1,0<T/t<1,5. При этом, задавая в соответствии с техническими условиями коэффициент стабилизации пульсаций КС, можно определить диаметры отверстия 15 первой втулки 13 и отверстия 16 второй втулки 14.

Как показали экспериментальные исследования, частотные и амплитудные параметры сглаживания пульсаций зависят от количества гофр и их геометрических размеров, т.к. непосредственно размеры гофр определяют их рабочий ход (амортизирующие свойства первого и второго сильфонных элементов 11, 12 при сглаживании).

Ширина гофр одного из сильфоннных элементов, например, первого сильфонного элемента 11, может быть выполнена большей, чем ширина гофр другого сильфонного элемента, например, второго сильфонного элемента 12 (фиг.4, 5). Эксперименты показали, что чем выше КС, тем большее количество необходимо широких гофр.

По крайней мере, один из сильфонных элементов, например, первый сильфонный элемент 11, может быть выполнен, по крайней мере, с одной более широкой гофрой, чем другие его гофры (фиг.4). Кроме того, один из сильфонных элементов, например, первый сильфонный элемент 11 (фиг.5) может быть выполнен с одинаковыми по ширине гофрами, которые выбраны более широкими, чем гофры второго сильфонного элемента 12, и ширина гофр первого сильфонного элемента 11 относительны ширины гофр второго сильфонного элемента 12 удовлетворяет указанному отношению T/t. Гофры одного из сильфонных элементов, например, второго сильфонного элемента 12 могут быть выполнены разной высоты (фиг.4, 5).

Работа устройства на фиг.5 аналогична работе конструкции на фиг.4 с учетом того, что упор 18 препятствует растяжению гофр второго сильфонного элемента 12 при максимальных пульсациях, и они функционируют в основном на сжатие. В этом случае второй сильфонный элемент 12 кроме компенсирующей функции дополнительно выполняет функцию пружины 10 (фиг.3) В то же время, если упор 18 выполнен регулируемым, то конструкция (фиг.5) позволяет изменять длины L₁ и L₂ первого и второго сильфонных элементов 11, 22 вдоль их продольной оси, тем самым изменять частоты f_n собственных колебаний резонаторов и обеспечить подстройку их частотных диапазонов.

Примеры конкретного осуществления изобретения.

Пример 1.

Расчетные параметры компенсатора, сконструированного на базе сильфона 1 с наружным диаметром 38 мм и с одной широкой гофрой 4 (фиг.1) были подтверждены при проведении экспериментальных испытаний в лаборатории КамАЗ на ТНВД серии 337.

При режиме работы двигателя на полных оборотах (от 75 до 1000 об/мин кулачкового вала ТНВД), что соответствует пуску двигателя в магистрали низкого давления топливо подается под давлением 0,57-0,61 бар. Этого недостаточно для надежного пуска двигателя, особенно при низких температурах. Сам процесс характеризуется значительньми пульсациями (фиг.6).

При укомплектовании ТНВД-337 компенсатором (фиг.1) начальное давление при оборотах 75 -100 мин^-1- в магистрали низкого давления в момент пуска двигателя увеличивается до 0,88-0,96 бар, что облегчает пуск двигателя. Давление топлива в магистрали ТНВД в пределах 1 бар способствует наполняемости подплунжерных объемов, стабилизирует работу ТНВД на всех режимах работы двигателя. Компенсатор позволяет на 20-25% компенсировать колебания давления топлива в магистрали низкого давления ТНВД (фиг.7). Зависимость частоты от оборотов двигателя показана на фиг.10, где Δ и сплошной линией показан график без компенсатора, а о и прерывистой линией с компенсатором. Изменение давления в зависимости от частоты оборотов приведено на фиг.11. Как видно (фиг.11), давление в магистрали возрастает и исключается не прирост давления для штатного оборудования в интервале 450-700 об· мин^-1. Анализ показывает, что при использовании компенсатора не только изменилась наполняемость топливной магистрали, но и изменилась частота пульсаций при оптимальном давлении, что соответствует лучшей подготовке топлива для впрыска в цилиндры и образования оптимальной рабочей смеси для горения. При этом при возрастании оборотов кулачкового вала ТНВД частота обработки топлива не уменьшается, Это предполагает оптимальную подготовку и подачу топлива в рабочие цилиндры при пусковом режиме двигателя, что положительно повлияет при эксплуатации дизельного двигателя в условиях низких температур.

Пример 2.

В работе ТНВД серии 334 в режиме оборотов кулачкового вала от 600-900 об^-1 наблюдается резкий сброс давления в магистрали низкого давления. Это - эффект, при котором плунжеры высокого давления не дозаполняются и работают в режиме неэффективной нагрузки. Происходит неравномерная наполняемость магистрали высокого давления и надфорсуночного пространства.

Применение компенсатора (фиг.4) последовательно соединенных первого и второго сильфонных элементов 11, 12, диаметром 38 и 28 мм соответственно, позволило значительно уменьшит падение давления в этом интервале оборотов (фиг.12), где Δ и сплошной линией показан график без компенсатора, а о и прерывистой линией с компенсатором, и сохранить рабочее давление в магистрали 1,3 бар (без использования компенсатора падение давления происходило до 1 бар - на уровне пускового).

Применение регулируемого по жесткости упором 18 двухступенчатого компенсатора (фиг.5) на базе первого и второго сильфонных элементов 11, 12, выполненных диаметром 28 и 20 мм соответственно, приводит к еще более надежной стабилизации давления (фиг.13), с более линейным поддержанием рабочего режима от 700 до 900 об/мин^-1 на уровне 1,22 бар, где и сплошной линией показан график с неподжатым сильфоном 1, а и прерывистой линией с поджатым на 60% сильфоном 1.

Кроме стабилизации давления улучшается (увеличивается) частотно-амплитудная обработка топлива и подготовка его для впрыска. Характерные зависимости пульсаций (изменения давления в магистрали) во времени без компенсатора и с компенсатором, выполненным на базе двух сильфонных элементов 11, 12, показаны соответственно на фиг.8, 9.

Таким образом, компенсатор выполнен обеспечивающим снижение пульсаций возникающих колебаний как от работы насоса, так и собственных колебаний сильфона.

За счет выбора соответствующих размеров широкой гофры 4 не возникает резонансных явлений, влияющих на долговечность работы сильфона 1. Это положительно скажется на подготовке топлива перед впрыскиванием его в цилиндры. В результате гидрокомпенсации топлива происходит повышение и усреднение давления в контуре низкого давления, что исключает выбросы и провалы давления топлива независимо от оборотов двигателя и положительно скажется при запуске двигателя в холодное время года и улучшит его работу на переходных режимах.

Наиболее успешно заявленный компенсатор промышленно применим в различных машинах и механизмах, в камеры или магистрали которых жидкость подается неравномерно, например, для компенсации пульсации давления топлива в контуре низкого давления топливного насоса высокого давления (ТНВД).

1. Компенсатор для сглаживания пульсаций жидкости, содержащий, по крайней мере, один сильфон, открытый торец которого предназначен для подсоединения к камере посредством втулки, а противоположный торец сильфона выполнен глухим, причем сильфон выполнен, по меньшей мере, с одной широкой гофрой относительно его узких гофр, а ширина Т широкой гофры выбрана удовлетворяющей соотношению 1,0<T/t<1,5, где t - ширина узкой гофры.

2. Компенсатор по п.1, в котором стенки гофр сильфона выполнены в виде колец, расположенных перпендикулярно продольной оси и сопряженных между собой выпуклыми поверхностями и вогнутыми поверхностями соответственно, а выпуклые поверхности и вогнутые поверхности выполнены в продольном сечении в виде полуокружностей, причем отношение радиуса выпуклой поверхности широкой гофры к радиусу выпуклой поверхности узкой гофры выбрано в диапазоне 1,1÷1,49.

3. Компенсатор по п.1, в котором сильфон выполнен, по меньшей мере, с одной высокой гофрой относительно других гофр, а высота Н высокой гофры выбрана удовлетворяющей соотношению 1,0<H/h<2,5, где h - высота других гофр.

4. Компенсатор по п.1, в котором глухой торец сильфона подпружинен.

5. Компенсатор по п.1, в котором сильфон выполнен, по крайней мере, из двух сильфонных элементов, расположенных соосно и предназначенных для сообщения их внутренних полостей с полостью камеры, причем сильфонные элементы расположены последовательно друг за другом вдоль их продольной оси и снабжены втулками с отверстиями, первый сильфонный элемент предназначен для подсоединения к камере посредством первой втулки с отверстием, закрепленной на его торце, второй сильфонный элемент соединен с первым сильфонным элементом посредством второй втулки с отверстием, закрепленной на обращенных друг к другу торцах первого и второго сильфонных элементов, а другой торец второго сильфонного элемента выполнен глухим, причем площадь эффективного сечения одного из сильфонных элементов выполнена большей, чем площадь эффективного сечения другого сильфонного элемента.

6. Компенсатор по п.5, в котором площадь эффективного сечения первого сильфонного элемента выполнена большей, чем площадь эффективного сечения второго сильфонного элемента, а диаметр отверстия первой втулки выполнен большим, чем диаметр отверстия второй втулки.

7. Компенсатор по п.5, который снабжен упором и корпусом, расположенным снаружи сильфонных элементов и закрепленным на наружной поверхности первой втулки, а упор установлен в корпусе с обеспечением опоры на глухой торец второго сильфонного элемента.

8. Компенсатор по п.7, в котором упор выполнен регулируемым с обеспечением возможности изменения длины сильфонных элементов вдоль их продольной оси.

9. Компенсатор по п.5, в котором ширина гофр одного из сильфонных элементов выполнена большей, чем ширина гофр другого сильфонного элемента.

10. Компенсатор по п.5, в котором, по крайней мере, один из сильфонных элементов выполнен, по крайней мере, с одной более высокой гофрой, чем другие его гофры.