RU2170830C1

RU2170830C1 - Power plant liquid cooling system and expansion tank used with this system (design versions of tank)

Info

Publication number: RU2170830C1
Application number: RU2000105972/06A
Authority: RU
Inventors: ев А.В. Бел; А.В. Беляев; В.А. Иванов; В.Н. Плотников; Б.И. Скуратов
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие Конструкторское бюро химавтоматики
Priority date: 2000-03-14
Filing date: 2000-03-14
Publication date: 2001-07-20

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: proposed liquid cooling system of power plant has closed circulation circuit of cooling liquid including power plant with its cooling spaces, radiator, circulation pump, expansion tank with liquid and gas spaces and cooling liquid inlet and outlet branch pipe secured on tank bottom. Expansion tank of system is made in form of constant volume sealed reservoir. System is provided with filling valve found in lower point of circulation circuit and drain valves found in upper point of circulation circuit and directly at tank bottom. EFFECT: reduced dimensions of power plant in height, improved reliability of operation. 4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к системам жидкостного охлаждения силовых установок, в частности к системам жидкостного охлаждения тяговых двигателей электропоезда, и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания, газотурбинных и других установках, требующих жидкостного охлаждения. The invention relates to the field of engineering, and in particular to liquid cooling systems of power plants, in particular to liquid cooling systems of traction engines of electric trains, and can be used in internal combustion engines, gas turbines and other installations requiring liquid cooling.

Известна система жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащая контур циркуляции охлаждающей жидкости, включающий полости охлаждения двигателя, радиатор и циркуляционный насос, и расширительный бак, соединенный при помощи патрубка подвода жидкости с верхней точкой полостей охлаждения двигателя и при помощи патрубка отвода - с всасывающей полостью насоса. Патрубок подвода закреплен на днище бака, а его выходной торец размещен внутри бака ниже уровня жидкости и в нем выполнены окна. Расширительный бак сообщен с атмосферой посредством трубки. Минимально допустимый уровень жидкости в расширительном баке контролируется при помощи указателя уровня (а.с. N 1562489, МПК F 01 P 11/02, 1988 - прототип). A known liquid cooling system of an internal combustion engine, comprising a coolant circuit, including engine cooling cavities, a radiator and a circulation pump, and an expansion tank connected by a fluid supply pipe to the upper point of the engine cooling cavities and by means of a discharge pipe to a pump suction cavity . The supply pipe is fixed on the bottom of the tank, and its outlet end is placed inside the tank below the liquid level and windows are made in it. The expansion tank is connected to the atmosphere through a tube. The minimum allowable fluid level in the expansion tank is controlled using a level gauge (as.with. N 1562489, IPC F 01 P 11/02, 1988 - prototype).

Недостатком известной системы охлаждения является то, что расширительный бак соединен с атмосферой и расположен выше верхнего уровня охлаждающей жидкости в системе. Это увеличивает габариты двигательной установки по высоте, ограничивает его использование, например, в системах охлаждения тяговых двигателей электропоездов из-за ограниченного подвагонного пространства. A disadvantage of the known cooling system is that the expansion tank is connected to the atmosphere and is located above the upper level of the coolant in the system. This increases the dimensions of the propulsion system in height, limits its use, for example, in cooling systems of traction engines of electric trains due to the limited car space.

Задачей изобретения является уменьшение габаритов двигательной установки по высоте. The objective of the invention is to reduce the dimensions of the propulsion system in height.

Поставленная задача достигается за счет того, что в системе жидкостного охлаждения силовой установки, содержащей контур циркуляции охлаждающей жидкости, включающий силовую установку с полостями охлаждения, радиатор, циркуляционный насос и расширительный бак с патрубками подвода и отвода охлаждающей жидкости, закрепленными на днище бака, согласно изобретению расширительный бак выполнен в виде емкости постоянного объема, герметичной по отношению к атмосфере и содержащей жидкостную и газовую полости. Система снабжена заправочным вентилем, расположенным в нижней точке контура циркуляции, и дренажными вентилями, расположенными в верхней точке контура циркуляции и непосредственно у днища бака. Расширительный бак снабжен датчиком давления для контроля уровня жидкости в нем, а подвод и отвод охлаждающей жидкости совмещен в одном трубопроводе, соединяющем жидкостную полость бака с входом в циркуляционный насос. The problem is achieved due to the fact that in a liquid cooling system of a power plant containing a coolant circuit, including a power plant with cooling cavities, a radiator, a circulation pump and an expansion tank with coolant supply and exhaust pipes fixed to the tank bottom, according to the invention the expansion tank is made in the form of a container of constant volume, sealed with respect to the atmosphere and containing a liquid and gas cavity. The system is equipped with a filling valve located at the lower point of the circulation circuit, and drain valves located at the upper point of the circulation circuit and directly at the bottom of the tank. The expansion tank is equipped with a pressure sensor to monitor the level of liquid in it, and the supply and removal of coolant is combined in one pipeline connecting the liquid cavity of the tank with the inlet to the circulation pump.

Заправка системы охлаждающей жидкостью производится под давлением. The system is charged with coolant under pressure.

Газовая полость, образованная над уровнем жидкости в герметичном расширительном баке, служит демпфером при температурных изменениях объема охлаждающей жидкости. В связи с этим расположение бака по отношению к верхнему уровню охлаждающей жидкости в системе становится безразличным. The gas cavity formed above the liquid level in the sealed expansion tank serves as a damper for temperature changes in the volume of the coolant. In this regard, the location of the tank in relation to the upper level of the coolant in the system becomes indifferent.

Такая система позволяет разместить расширительный бак ниже уровня охлаждающей жидкости в системе циркуляции и сократить габариты силовой установки по высоте. Such a system allows you to place the expansion tank below the level of the coolant in the circulation system and reduce the height of the power plant.

Расширительный бак, выполненный в виде герметичной емкости постоянного объема, имеет пневмогидравлическую характеристику, зависящую только от температурного режима работы и количества перетекающей жидкости. При этом разброс давлений в воздушной подушке достигает больших значений. The expansion tank, made in the form of a sealed container of constant volume, has a pneumohydraulic characteristic that depends only on the temperature mode of operation and the amount of flowing liquid. In this case, the pressure spread in the air cushion reaches large values.

С целью уменьшения разброса давлений в воздушной подушке предлагается выполнить бак в виде упругой емкости переменного объема. Такими свойствами обладает сильфон. Поэтому для заявляемой системы жидкостного охлаждения силовой установки предлагается вариант расширительного бака сильфонного типа с улучшенными пневмогидравлическими характеристиками по сравнению с баком, выполненным в виде герметичной емкости постоянного объема. In order to reduce the pressure spread in the air cushion, it is proposed to make the tank in the form of an elastic tank of variable volume. The bellows possesses such properties. Therefore, for the inventive liquid cooling system of the power plant, a variant of a bellows expansion tank with improved pneumo-hydraulic characteristics is proposed in comparison with a tank made in the form of a sealed container of constant volume.

Известен механопневматический гаситель гидравлического удара гидротранспортных систем, включающий воздушный колпак и сильфон. Над сильфоном смонтирован противовес, фиксированный посредством пружины, закрепленной на пластине, свободно размещенной в воздушном колпаке (а.с. N 395662, МПК F 16 L 55/02, E 02 F 7/10, 1973). Данное устройство можно было бы применить для заявляемой системы в качестве расширительного бака, однако его недостатком является то, что изменение объема жидкости в системе полностью компенсируется за счет изменения длины сильфона, уменьшая надежность его работы, а расположение пружины и воздушной подушки над сильфоном увеличивает габариты и массу устройства. Known mechanopneumatic damper for hydraulic shock of hydraulic systems, including an air cap and a bellows. A counterweight is mounted above the bellows, fixed by means of a spring mounted on a plate freely placed in the air cap (A.S. N 395662, IPC F 16 L 55/02, E 02 F 7/10, 1973). This device could be used for the inventive system as an expansion tank, however, its disadvantage is that the change in the volume of fluid in the system is fully compensated by changing the length of the bellows, reducing the reliability of its operation, and the location of the spring and air cushion above the bellows increases the dimensions and the mass of the device.

Задачей изобретения является уменьшение габаритов устройства и повышение надежности работы. The objective of the invention is to reduce the size of the device and increase the reliability.

Поставленная задача решается за счет того, что расширительный бак выполнен в виде сильфона, ограниченного верхней крышкой и днищем, герметичного по отношению к атмосфере и имеющего жидкостную и газовую полости, а внутри сильфона помещена пружина растяжения, закрепленная на верхней крышке и на днище. The problem is solved due to the fact that the expansion tank is made in the form of a bellows, bounded by a top cover and a bottom, sealed with respect to the atmosphere and having a liquid and gas cavity, and a tension spring is placed inside the bellows, mounted on the top cover and on the bottom.

Уровень охлаждающей жидкости, образующий воздушную и жидкостную полости, устанавливается внутри сильфона. Компенсация температурного изменения объема охлаждающей жидкости осуществляется как за счет изменения длины сильфона, так и за счет изменения объема воздушной подушки. The level of coolant forming the air and liquid cavities is set inside the bellows. Compensation of the temperature change in the volume of the coolant is carried out both by changing the length of the bellows, and by changing the volume of the air cushion.

Это уменьшает рабочий ход сильфона, увеличивая надежность его работы, уменьшает габариты устройства и улучшает его пневмогидравлические характеристики по сравнению с расширительным баком, выполненным в виде герметичной емкости постоянного объема. This reduces the working stroke of the bellows, increasing the reliability of its operation, reduces the dimensions of the device and improves its pneumohydraulic characteristics in comparison with an expansion tank made in the form of a sealed container of constant volume.

Предлагаемая система жидкостного охлаждения силовой установки с расширительным баком представлена на фиг. 1, а на фиг. 2 изображен вариант расширительного бака для этой системы, где:
1. Силовая установка
2. Циркуляционный насос
3. Радиатор
4. Расширительный бак
5. Патрубок подвода и отвода
6. Днище
7. Газовая полость
8. Заправочный вентиль
9. Дренажный вентиль
10. Дренажный вентиль
11. Датчик давления
12. Сильфон
13. Крышка
14. Днище
15. Пружина растяжения
16. Втулка
17. Втулка
18. Воздушная подушка
19. Трубка
20. Кожух
21. Опорное кольцо
22. Шпилька
23. Ниппель
24. Каналы
Система жидкостного охлаждения силовой установки содержит контур циркуляции охлаждающей жидкости, включающий силовую установку 1 с полостями охлаждения, циркуляционный насос 2, радиатор 3 и расширительный бак 4, выполненный в виде герметичной по отношению к атмосфере емкости постоянного объема, подключенный при помощи патрубка 5 к циркуляционному насосу 2. Патрубок 5 служит для подвода и отвода охлаждающей жидкости в бак и закреплен на его днище 6. Газовая полость 7, образованная над уровнем жидкости в расширительном баке, служит демпфером при температурных изменениях объема охлаждающей жидкости. Система снабжена заправочным вентилем 8, расположенным в нижней точке контура циркуляции, и дренажными вентилями 9 и 10, расположенными соответственно в верхней точке конура циркуляции и непосредственно у днища бака. Расширительный бак снабжен датчиком давления 11 для контроля уровня жидкости в нем. Заправка системы жидкостью производится под давлением.The proposed liquid cooling system of a power plant with an expansion tank is shown in FIG. 1, and in FIG. 2 shows a variant of the expansion tank for this system, where:
1. Powerplant
2. Circulation pump
3. Radiator
4. Expansion tank
5. Inlet and outlet pipe
6. The bottom
7. Gas cavity
8. Filling valve
9. Drain valve
10. Drain valve
11. Pressure sensor
12. Bellows
13. Cover
14. The bottom
15. Tension spring
16. Bushing
17. Sleeve
18. Airbag
19. Handset
20. Casing
21. Support ring
22. Stud
23. Nipple
24. Channels
The liquid cooling system of the power plant contains a coolant circulation circuit, including the power plant 1 with cooling cavities, a circulation pump 2, a radiator 3 and an expansion tank 4, made in the form of a tank of constant volume, which is sealed to the atmosphere, connected by means of a pipe 5 to the circulation pump 2. The pipe 5 serves to supply and drain coolant to the tank and is mounted on its bottom 6. The gas cavity 7 formed above the liquid level in the expansion tank serves as a damper When temperature changes the volume of cooling liquid. The system is equipped with a filling valve 8 located at the lower point of the circulation circuit and drainage valves 9 and 10 located respectively at the upper point of the circulation circuit and directly at the bottom of the tank. The expansion tank is equipped with a pressure sensor 11 to monitor the liquid level in it. The system is filled with liquid under pressure.

Вариант расширительного бака для системы жидкостного охлаждения силовой установки содержит: сильфон 12, который совместно с крышкой 13 и днищем 14 образует герметичную относительно атмосферы емкость. Внутри сильфона расположена пружина растяжения 15, закрепленная на верхней крышке и на днище при помощи резьбовых втулок 16 и 17. A variant of the expansion tank for the liquid cooling system of the power plant includes: a bellows 12, which together with the cover 13 and the bottom 14 forms a container that is sealed against the atmosphere. Inside the bellows is a tension spring 15, mounted on the top cover and on the bottom using threaded sleeves 16 and 17.

Уровень охлаждающей жидкости устанавливается внутри сильфона и изменяется в зависимости от изменения объема охлаждающейся жидкости в системе. При этом изменяется как длина сильфона L, так и объем воздушной подушки 18, улучшая пневмогидравлическую характеристику бака по сравнению с расширительным баком, выполненным в виде емкости постоянного объема. The coolant level is set inside the bellows and varies depending on the change in the volume of coolant in the system. In this case, both the length of the bellows L and the volume of the air cushion 18 are changed, improving the pneumohydraulic characteristic of the tank compared to an expansion tank made in the form of a constant-volume tank.

В конструкцию бака входит также датчик давления 11, соединенный с полостью сильфона трубкой 19 и предназначенный для контроля уровня жидкости в баке. The design of the tank also includes a pressure sensor 11 connected to the bellows cavity by a tube 19 and designed to monitor the liquid level in the tank.

Кожух 20 и опорное кольцо 21 служат для обеспечения устойчивости сильфона при его работе. Шпильки 22 служат для крепления бака к платформе. Ниппель 23 и каналы 24 служат для заправки бака и для сообщения полости бака с контуром циркуляции. The casing 20 and the support ring 21 serve to ensure the stability of the bellows during its operation. Studs 22 are used to attach the tank to the platform. The nipple 23 and channels 24 are used to refuel the tank and to communicate with the tank cavity with the circulation circuit.

Система жидкостного охлаждения тяговых двигателей электропоезда работает следующим образом. The liquid cooling system of traction engines of an electric train operates as follows.

При помощи циркуляционного насоса 2 охлаждающая жидкость через радиатор охладитель 3 подается в полость охлаждения силовой установки 1 и далее по замкнутому контуру циркуляции. Температурные изменения объема охлаждающей жидкости компенсируются за счет перетекания ее по трубопроводу 5, соединяющему герметичный расширительный бак 4 с входом в насос 2. Давление в воздушной подушке зависит от количества перетекающей жидкости и температурных условий работы расширительного бака. Трубопровод 5 закреплен на днище бака 6. Контроль наличия жидкости в расширительном баке и в системе осуществляется с помощью датчика давления 11. Заправка системы охлаждающей жидкостью осуществляется через заправочный штуцер 8 до заданного давления, определяемого давлением воздушной подушки 7 в баке 4. Дренажные вентили 9 и 10 предназначены для стравливания воздуха из системы и из трубки 5 при заправке. Вентиль 9 расположен в верхней точке системы, а вентиль 10 - непосредственно у днища бака 6. Using a circulation pump 2, the coolant through the radiator, the cooler 3 is fed into the cooling cavity of the power plant 1 and then on a closed loop. Temperature changes in the volume of coolant are compensated by flowing it through a pipe 5 connecting the sealed expansion tank 4 to the inlet to pump 2. The pressure in the air cushion depends on the amount of flowing liquid and the temperature conditions of the expansion tank. The pipeline 5 is mounted on the bottom of the tank 6. The presence of liquid in the expansion tank and in the system is monitored using a pressure sensor 11. The system is filled with coolant through the filling nozzle 8 to a predetermined pressure determined by the pressure of the air bag 7 in the tank 4. Drain valves 9 and 10 are intended for bleeding air from the system and from the tube 5 during refueling. Valve 9 is located at the top of the system, and valve 10 is located directly at the bottom of the tank 6.

Расширительный бак работает следующим образом. The expansion tank operates as follows.

Заполнение бака осуществляется через ниппель 23, вмонтированный в днище 14, в вертикальном положении одновременно с заполнением системы, при нормальной температуре окружающей среды, до заданного давления. The tank is filled through the nipple 23, mounted in the bottom 14, in a vertical position simultaneously with the filling of the system, at normal ambient temperature, to a predetermined pressure.

При работающей системе охлаждения происходит повышение температуры охлаждающей жидкости, а следовательно, и увеличение ее объема. Избыток объема охлаждающей жидкости по каналам 24 перетекает внутрь сильфона и вызывает повышение давления в нем. При этом сильфон вместе с пружиной удлиняется, внутри сильфона устанавливается рабочий уровень жидкости h_раб., соответствующий установившемуся тепловому режиму.When the cooling system is working, the temperature of the coolant increases, and consequently, its volume increases. Excess coolant volume through channels 24 flows into the bellows and causes an increase in pressure in it. In this case, the bellows together with the spring lengthens, inside the bellows the working fluid level h _{slave is set.} corresponding to steady state thermal conditions.

При охлаждении системы происходит обратный процесс. When cooling the system, the reverse process occurs.

Минимально допустимый уровень охлаждающей жидкости в баке h_min. Контролируется с помощью датчика 11 по падению давления до заданной величины.Minimum permissible coolant level in the tank h _min . It is controlled by a sensor 11 for pressure drop to a predetermined value.

Claims

1. Система жидкостного охлаждения силовой установки, содержащая замкнутый контур циркуляции охлаждающей жидкости, включающий силовую установку с полостями охлаждения, радиатор, циркуляционный насос, расширительный бак с жидкостной и газовой полостями и патрубок подвода и отвода охлаждающей жидкости, закрепленный на днище бака, отличающаяся тем, что расширительный бак выполнен в виде емкости постоянного объема, герметичной по отношению к атмосфере, система снабжена заправочным вентилем, расположенными в нижней точке контура циркуляции, и дренажными вентилями, расположенными в верхней точке контура циркуляции и непосредственно у днища бака, а подвод и отвод охлаждающей жидкости совмещен в одном патрубке, соединяющем жидкостную полость расширительного бака с входом в циркуляционный насос. 1. The liquid cooling system of a power plant, comprising a closed circuit for circulating coolant, including a power plant with cooling cavities, a radiator, a circulation pump, an expansion tank with liquid and gas cavities, and a coolant inlet and outlet pipe mounted on the bottom of the tank, characterized in that the expansion tank is made in the form of a constant-volume tank, sealed with respect to the atmosphere, the system is equipped with a filling valve located at the lower point of the circulation circuit And drain valves arranged at the top circulation loop and contact the tank bottom and the supply and drainage of coolant is combined in one pipe connecting the liquid chamber of the expansion vessel to the input of the circulation pump.

2. Система жидкостного охлаждения силовой установки по п.1, отличающаяся тем, что расширительный бак снабжен датчиком давления. 2. The liquid cooling system of the power plant according to claim 1, characterized in that the expansion tank is equipped with a pressure sensor.

3. Расширительный бак для системы жидкостного охлаждения силовой установки, содержащий сильфон, выполненный в виде герметичной относительно атмосферы емкости, пружину и патрубок подвода и отвода охлаждающей жидкости, отличающийся тем, что сильфон снабжен верхней крышкой и днищем, а внутри сильфона помещена пружина растяжения, закрепленная одним концом на верхней крышке, а другим концом на днище. 3. An expansion tank for a liquid cooling system of a power plant, comprising a bellows made in the form of a tank sealed relative to the atmosphere, a spring and a nozzle for supplying and discharging coolant, characterized in that the bellows is provided with a top cover and a bottom, and a tension spring is fixed inside the bellows, fixed one end on the top cover and the other end on the bottom.

4. Расширительный бак по п.3, отличающийся тем, что он помещен в кожух и взаимодействует с ним через опорное кольцо. 4. The expansion tank according to claim 3, characterized in that it is placed in the casing and interacts with it through the support ring.