Пневматический способ привода механизма сцепления валов секций расширительных машин с валом отбора мощности поршневого двигателя с питанием рабочим телом, генерируемым свободнопоршневым генератором газов с общей внешней камерой сгорания
Изобретение относится к области энергомашиностроения. Пневматический способ привода механизма сцепления валов нескольких секций расширительных машин поршневого двигателя с валом отбора мощности поршневого двигателя предназначен для управления моментом вращения без применения механизма перемены передач поршневого двигателя с питанием рабочим телом, генерируемым свободнопоршневым генератором газов с общей внешней камерой сгорания. Для сцепления валов секций расширительных машин двигателя с валом отбора мощности система управления двигателя подает сжатый в полостях компрессора генератора газов воздух в полость поршня привода муфты сцепления той расширительной машины, в которой необходимо обеспечить такое сцепление, и шестерни валов расширительной машины и поршневого двигателя входят в зацепление. Для расцепления вала секции расширительной машины с валом отбора мощности поршневого двигателя система управления двигателя подает сжатый в полостях компрессора генератора газов воздух в противоположную полость поршня привода муфты сцепления и шестерни валов расширительной машины и поршневого двигателя выходят из зацепления. Изобретение обеспечивает упрощение конструкции, мощности и энергопотребления механизма сцепления поршневых секций с валом отбора мощности. 3 ил.
Область техники
Изобретение относится к энергомашиностроению.
Уровенрь техники
Ближайшим аналогом разработки является изобретение «Пневматический привод топливной форсунки свободнопоршневого двигателя», патент RU 2388928 С2. Пневматический привод топливной форсунки предназначен для обеспечения работоспособности спаренного энергомодуля (Патент RU 2342546 «Электрогенератор на основе свободнопоршневого двигателя с внешней камерой сгорания». Патент RU №2328608 С1 «Энергомодуль с ускорителем якоря». Патент RU 2340783 С1 «Блок поршней и якоря энергомодуля». Патент RU 2394341 «Стационарная катушка подмагничивания якоря линейной электрической машины». Патент RU 2349765 С1 «Пневматический привод клапана однотактного свободнопоршневого двигателя с внешней камерой сгорания». Патент RU 2426900 С1 «Оптимизация процесса расширения продуктов сгорания свободнопоршневого энергомодуля с внешней камерой сгорания». Патент RU 2388928 С2 «Пневматический привод топливной форсунки свободнопоршневого двигателя». Патент RU 2422655 С1 «Двухцилиндровый свободнопоршневой энергомодуль с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором с оппозитным движением якорей». Заявка №2010118052 «Способ синхронизации движения поршней спаренного двухцилиндрового свободнопоршневого энергомодуля». Патент RU 2345232 С1 «Газораспределительный способ синхронизации движения поршней энергомодуля». Заявка №2010109988 «Импульсная синхронизация движения поршней свободнопоршневого спаренного энергомодуля с общей внешней камерой сгорания». Заявка №2010116546 «Способ охлаждения поршней двухцилиндрового однотактного свободнопоршневого энергомодуля с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором с оппозитным движением якорей»), спаренного генератора газов с внешней камерой сгорания (Патент RU 2324060 С1, «Свободнопоршневой генератор газов прямоточного двигателя с двумя поршнями привода компрессора». Патент RU 2324830 С1, «Свободнопоршневой генератор газов прямоточного двигателя с одним поршнем привода компрессора». Патент RU 2415286 С1 «Газораспределительный способ синхронизации движения поршней свободнопоршневого генератора газов с внешней камерой сгорания». Заявка №2010119000 «Оптимизация процесса расширения продуктов сгорания свободнопоршневого генератора газов с внешней камерой сгорания») и поршневого двигателя с питанием рабочим телом от свободнопоршневого генератора газов с внешней камерой сгорания (Заявка №2011109414 «Поршневой двигатель с питанием рабочим телом от свободнопоршневого генератора газов с внешней камерой сгорания». Заявка №2011109158 «Способ оптимизации процесса расширения продуктов сгорания в цилиндре поршневого двигателя с питанием рабочим телом от свободнопоршневого генератора газов с внешней камерой сгорания». Заявка №2011120925 «Способ увеличения момента силы поршневого двигателя с питанием рабочим телом от свободнопоршневого генератора газов с общей внешней камерой сгорания».
Принцип действия аналога изобретения - "Пневматический привод топливной форсунки свободнопоршневого двигателя", патент RU 2388928.
Кинетическая энергия поршней свободнопоршневых машин в крайних точках движения приближается к нулю. Именно в этот момент требуется энергия для срабатывания механического привода топливной форсунки. В свободнопоршневой машине любого типа имеется источник сжатого воздуха, компрессор и пневмоаккумулятор, энергия которого напрямую используется для привода топливной форсунки. Действует привод следующим образом. Из канала, фигура 1, по которому сжатый воздух движется от источника сжатого воздуха, показано стрелкой 1, часть его по каналу 2 через золотник 3 поступает в верхнюю полость поршня привода форсунки 4, а из нижней полости воздух вытекает в атмосферу по каналу 5. Поршень привода форсунки 4 и соединенный с ним плунжер 6 движутся вниз, по рисунку, впрыскивая дозу топлива через клапан 7, обратный клапан 8 закрыт, в камеру сгорания 9. По достижении ими нижнего крайнего положения система управления подает импульс электроэнергии на соленоид привода золотника, на рисунке не показан, Золотник 3 занимает нижнее положение. Теперь воздух от компрессора по каналу 5 поступает в нижнюю полость поршня привода форсунки 4, в результате чего он и соединенный с ним плунжер 6 перемещаются вверх. Топливо через клапан 8 засасывается в полость плунжера 6 из топливного бака, на рисунке не показан. Форсунка готова к очередному рабочему циклу.
Цель изобретения
Цель заявленного изобретения - упрощение конструкции, снижение удельной мощности и энергопотребления механизма сцепления поршневых секций с валом отбора мощности поршневого двигателя с питанием рабочим телом, генерируемым свободнопоршневым генератором газов с общей внешней камерой сгорания. Такой двигатель обеспечивает необходимые тяговые характеристики без механизма перемены передач.
Сущность изобретения
Поршневой двигатель с питанием рабочим телом, генерируемым свободнопоршневым генератором газов с общей внешней камерой сгорания (Заявка №2011109414 «Поршневой двигатель с питанием рабочим телом от свободнопоршневого генератора газов с внешней камерой сгорания». Заявка №2011109158 «Способ оптимизации процесса расширения продуктов сгорания в цилиндре поршневого двигателя с питанием рабочим телом от свободнопоршневого генератора газов с общей внешней камерой сгорания». Заявка №2011125 «Способ увеличения момаента силы поршневого двигателя с питанием рабочим телом от свободнопоршневого генератора газов с общей внешней камерой сгорания), состоит из двух основных агрегатов - свободнопоршневого генератора газов с общей внешней камерой сгорания (в дальнейшем генератор газов) и нескольких поршневых расширительных машин. Генератор газов вырабатывает рабочее тело (продукты сгорания моторного топлива высоких параметров - температуры и давления) и направляет его на одну или несколько расширительных машин, которые в свою очередь преобразуют энергию рабочего тела в механическую энергию вращения вала отбора мощности двигателя.
Принцип действия свободнопоршневого генератора газов с общей внешней камерой сгорания состоит в следующем. При пуске генератора газов в камеру сгорания 1 (см. фигуру 2) форсункой 2 подается топливо и воспламеняется свечой зажигания 3. Продукты сгорания через газораспределительный клапан (далее - клапан) 4 поступают в левую полость поршня привода компрессора 5, в результате чего поршень 5 и соединенный с ним штоком 6 поршень 7 движутся (по рисунку) слева направо. Так как площадь левой (по рисунку) поверхности поршня 5 больше площади его противоположной поверхности на величину площади поперечного сечения штока 6, то давление воздуха в полости справа от поршня 5 (полость компрессора) больше, чем давление продуктов сгорания слева от поршня 5. Поэтому воздух из правой полости поршня 5, клапан 8 закрыт, через клапан 9 поступает в камеру сгорания 1, тем самым обеспечивая воздухом процесс горения топлива. Одновременно при движении поршня 7 воздух (при следующих рабочих циклах продукты сгорания) из его правой полости через клапан 10, клапан 11 закрыт, выбрасывается в атмосферу, а через открытый клапан 12 воздух из атмосферы засасывается в левую полость поршня 7. При достижении поршнями 5 и 7 крайнего правого положения система управления (на фигуре не показана) переводит клапаны 4 и 10 в противоположные положения. Теперь продукты сгорания из камеры сгорания поступают в правую полость поршня 7, и поршни 5 и 7 движутся справа налево. Воздух из левой полости поршня 7 открывает клапан 11 и поступает в камеру сгорания 1. Клапан 9 закрывается и воздух из атмосферы через открывшийся клапан 8 засасывается в правую полость поршня 5. Как только давление продуктов сгорания в камере сгорания достигнет рабочего значения, открывается заслонка 13 и продукты сгорания поступают на расширительную машину.
Поршневой двигатель с питанием рабочим телом, генерируемым свободнопоршневым генератором газов, действует следующим образом. Как только давление продуктов сгорания в камере сгорания генератора газов достигнет рабочего значения, система управления открывает заслонку 13 и продукты сгорания поступают к газораспределительным клапанам двигателя. Система управления отслеживает положение поршней в цилиндрах и открывает газораспределительный клапан того цилиндра, в котором поршень находится между начальной и конечной крайними точками движения. Поступающие в цилиндр продукты сгорания воздействуют на поршень и он начинает движение. Энергия движущегося поршня механизмом преобразования движения (для машин с цилиндрическими поршнями кривошипно-шатунный механизм, для машин с роторными поршнями кривошипный) преобразуется в энергию вращения вала отбора мощности. По прибытию поршня в крайнюю конечную точку движения система управления закрывает впускной клапан и открывает выпускной. Механизмом преобразования поршень возвращается в исходную точку движения, выталкивая продукты сгорания из цилиндров.
Для управления величиной момента вращения на валу двигателя, кроме варьирования массой в единицу времени подаваемого в камеру сгорания генератора газов топлива, двигатель комплектуется несколькими расширительными машинами. Такая схема позволяет путем комбинацией включенных и выключенных расширительных машин менять величину момента вращения на валу двигателя в нескольких диапазонах, соответствующих числу расширительных машин двигателя. В первом диапазоне задействована одна расширительная машина. Для перехода во второй диапазон система управления дополнительно подает продукты сгорания от генератора газов на следующую расширительную машину, а в третий диапазон - на третью расширительную машину и т.д. Подключение и отключение расширительных машин осуществляется механизмами сцепления валов расширительных машин с валом отбора мощности двигателя, действие которых обеспечивается энергией сжимаемого в генераторе газов воздуха. Для этого сжатый воздух отбирается из полости между клапанами 9, 11 и входом в камеру сгорания 1 и по трубопроводу 14, фигура 3, через обратный клапан 15 поступает в пневмоаккумулятор 16 и сначала при первоначальном пуске двигателя заряжает, а затем по мере расхода воздуха подзаряжает его. Далее от пневмоаккумулятора 16 по трубопроводу 17 и через золотник 18, который находится в правом положении по рисунку, поступает в правую полость поршня привода муфты 19. Предположим, что поршень привода муфты 19 находится в правом положении, так как показано на рисунке. Тогда под действием сжатого воздуха поршень привода муфты 19 перемещается влево и поводком 20 также перемещает муфту 21 и шестерню 22 влево. Муфта 20 шлицевая - позволяет шестерне 22 перемещаться вдоль вала расширительной машины 23, при этом не проворачиваясь. Шестерня 22 входит в зацепление с шестерней 23, передает момент вращения валу двигателя 24 и одновременно система управления направляет продукты сгорания от генератора газов в расширительную машину 25. Момент вращения вала двигателя становится равным сумме (при максимальной загрузке двигателя) расширительных машин 26 и 25. Дальнейшее наращивание момента вращения двигателя может реализовываться подключением очередной расширительной машины, например расширительной машины 27. Для отключения той же расширительной машины от вала двигателя 24 система управления подает электрический сигнал на обмотку катушки 28, в результате чего якорь соленоида 29 и соединенный с ним золотник 18 перемещаются влево. Теперь сжатый воздух из пневмоаккумулятора 16 направляется в левую волость поршня привода муфты 19, перемещает его вправо и разъединяет шестерни 22 и 23. Таким образом, в зависимости от требуемого момента вращения на валу двигателя производится включение и выключение требуемого числа расширительных машин.
Раскрытие изобретения
Пневматический способ привода механизма сцепления валов секций расширительных машин поршневого двигателя с валом отбора мощности поршневого двигателя с питанием рабочим телом, генерируемым свободнопоршневым генератором газов с общей внешней камерой сгорания, включает свободнопоршневой генератор газов с внешней камерой сгорания, расширительные машины поршневого двигателя и систему управления двигателя, отличается тем, что для сцепления вала секции расширительной машины поршневого двигателя с валом отбора мощности двигателя система управления поршневого двигателя подает сжатый в полостях компрессора генератора газов воздух в полость поршня привода муфты сцепления той расширительной машины, в которой необходимо обеспечить такое сцепление, и шестерни валов расширительной машины и поршневого двигателя входят в зацепление, а для расцепления вала секции расширительной машины с валом отбора мощности поршневого двигателя система управления двигателя подает сжатый в полостях компрессора генератора газов воздух в противоположную полость поршня привода муфты сцепления, и шестерни валов расширительной машины и поршневого двигателя выходят из зацепления.
Промышленная применимость
Большинство технологий производства деталей и узлов пневматического привода механизма сцепления валов секций расширительных машин поршневого двигателя с питанием рабочим телом, генерируемым свободнопоршневым генератором газов с общей внешней камерой с валом отбора мощности, традиционны.
Графический материал
Фигура 1. Принципиальная схема пневматического привода форсунки двигателя.
1 - канал подачи сжатого воздуха в камеру сгорания, 2 - канал подачи сжатого воздуха к золотнику, 3 - золотник, 4 - поршень привода форсунки, 5 - канал нижней полости поршня привода форсунки, 6 - плунжер, 7, 8 - обратный клапан, 9 - камера сгорания.
Фигура 2. Принципиальная схема свободнопоршневого генератора газов с внешней камерой сгорания.
1 - камера сгорания, 2 - форсунка, 3 - свеча зажигания, 4, 10 - газораспределительный клапан, 5, 7 - поршни, 6 - шток, 8, 9, 11, 12 - обратный клапан, 13 - заслонка.
Фигура 3. Принципиальная схема подключения валов расширительных машин к валу двигателя.
1-14, 17 - трубопровод, 15 - обратный клапан, 16 - пневмоаккумулятор, 18 - катушка соленоида, 19 - поршень привода муфты сцепления, 20 - поводок, 21 - муфта сцепления, 22 -, 23 - шестерни, 24 - вал двигателя, 25, 26, 27 - расширительная машина.
Пневматический способ привода механизма сцепления валов секций расширительных машин поршневого двигателя с валом отбора мощности поршневого двигателя с питанием рабочим телом, генерируемым свободнопоршневым генератором газов с общей внешней камерой сгорания, включающего свободнопоршневой генератор газов с внешней камерой сгорания, расширительные машины поршневого двигателя и систему управления двигателя, отличающийся тем, что для сцепления вала секции расширительной машины поршневого двигателя с валом отбора мощности двигателя система управления поршневого двигателя подает сжатый в полостях компрессора генератора газов воздух в полость поршня привода муфты сцепления той расширительной машины, в которой необходимо обеспечить такое сцепление, и шестерни валов расширительной машины и поршневого двигателя входят в зацепление, а для расцепления вала секции расширительной машины с валом отбора мощности поршневого двигателя система управления двигателя подает сжатый в полостях компрессора генератора газов воздух в противоположную полость поршня привода муфты сцепления, и шестерни валов расширительной машины и поршневого двигателя выходят из зацепления.
