Линейный двигатель-компрессор Советский патент 1992 года по МПК F02B71/04 

Изобретение относится к двигателям со свободно движущимися поршнями и может быть использовано в двигателестроении а качестве линейного двигателя-компрессора

Известны конструкции свободнопорш- невых двигателей с противоположно движущимися поршнями, содержащие гидравлическую систему синхронизации поршней.

Недостатком таких систем является ограничение по максимальной (или средней) скорости линейного движения поршня относительно втулки цилиндра из-за явления повышенного износа трущихся пар контак- тных уплотнений при относительных скоростях перемещения более 8-10 м/с. Причем это ограничение накладывается как на ци- линдропоршневую группу гидравлического механизма синхронизации движения порш- ней, так и на цилиндропоршневую группу двигателя-компрессора

Известны конструкции свободнопорш- невых микрокриогенных систем длительного действия на базе бесклапанного поршневого детандера и компрессора.

Основной особенностью этих машин является то, что поршни двигаются возвратно- поступательно и одновременно совершают вращательное движение для обеспечения работы газовых подшипников и поршневого уплотнения.

Недостаток таких конструкций заключается в наличии встроенного асинхронного электродвигателя, что усложняет их конст- рукцию и снижает надежность

Наиболее близким к изобретению является свободнопоршневой двигатель-насос, содержащий цилиндр, поршни, гидравлический механизм синхронизации движения поршней, поршневой жидкостный насос, связанный штоком с плунжером гидроцилиндра механизма синхронизации

Недостатком таких свободнопоршне- вых двигателей является также ограничение по максимальной скорости линейного перемещения поршня двигателя и компрессора (насоса) и скорости линейного перемещения плунжера гидроцилиндра механизма синхронизации из-за резкого увеличения скорости износа деталей трущихся пар. Это ограничение, в свою очередь, вызывает ограничение по мощности свободнопоршне- вых двигателей Кроме того, недостатком таких свободнопоршневых двигателей яв- ляется наличие буферных полостей которые служат для возврата поршней во внутреннюю мертвую точку. В буферных полостях происходят необратимые потери энергии на сжатие - расширение газа, что

снижает экономичность свободнопоршне- вого двигателя.

Цель изобретения - повышение экономичности, мощности и надежности.

Поставленная цель достигается тем, что в линейном двигателе-компрессоре, содержащем корпус, размещенную в нем безбуферную втулку цилиндра, установленные в ней поршни с газодинамическими уплотнениями, перемещающиеся в противоположных направлениях, гидравлический механизм синхронизации движения поршней с гидроцилиндрами и размещенными в них плунжерами, кинематически связанными с поршнями двигателя-компрессора, он снабжен заполненным невязкой жидкостью цилиндром механизма вращения, с реактивным поршнем, установленным соосно гидроцилиндру, плунжер гидроцилиндра связан штоком с реактивным поршнем, выполненным в виде двухстороннего сегнеро- ва колеса,

На чертеже представлен линейный двигатель-компрессор, общий вид.

Линейный двигатель-компрессор содержит безбуферную втулку 1 цилиндра, расположенные внутри нее впускной 2 и выпускной 3 поршни. Торцы втулки 1 цилиндра закрыты головками 4 компрессора с рас- положенными внутри них впускными и выпускными каналами. Внутренние днища впускного 2 и выпускного 3 поршней и стенка втулки 1 цилиндра образуют двигательную полость 5, а головки 4 компрессора и наружные днища впускного 2 и выпускного 3 поршней и стенки втулки 1 цилиндра образуют компрессорные полости 6. Внутри головок 4 компрессоров расположены впускные и выпускные каналы с самодействующими клапанами. Поршни 2 и 3 двигатель-компрессора связаны тягами 7 с плунжерами 8 гидроцилиндров 9 гидравлического механизма синхронизации поршней, а плунжера 8 связаны штоками 10 с реактивными поршнями 11 цилиндров 12 механизмов вращения, заполненных маловязкой жидкостью, причем цилиндры 12 механизма вращения расположены соосно с гидроцилиндрами 9. Реактивные поршни 11 снабжены соплами 13 таким образом, что образуют двухстороннее сегнерово колесо с постоянным направлением вращения. Соответствующие полости гидроцилиндров 9 гидравлического механизма синхронизации движения поршней двигатель-компрессора соединены гидросистемами с регулируемым проходным сечением с помощью вентиля 14. Топливная форсунка 15 (или свеча зажигания) расположена в двигательной полости 5. Система продувки двигательной полости может быть выполнена в виде свободного турбокомпрессора, либо в виде приводного компрессора от постороннего источника энергии, либо может быть комбинированной (не показана). Всасывающая магистраль 16 газа и напорная магистраль 17 газа соединены соответственно с впускными и выпускными каналами в головках 4 компрессоров.

Линейный двигатель-компрессор работает следующим образом.

В начальный момент времени впускной 2 и выпускной 3 поршни расположены во втулке 1 цилиндра во внешней мертвой точке, завершив фазу выталкивания сжатого газа через выпускные каналы головок 4 компрессоров в напорную магистраль 17 газа. После этого самодействующие выпускные клапаны закрываются при падении давления в компрессорных полостях 6 по мере движения поршней 2 и 3 к внутренней мертвой точке, а впускные самодействующие клапаны открываются. Происходит заполнение газом компрессорных полостей 6 из всасывающей магистрали 16 газа через впускные каналы в головках 4 компрессоров. Под действием давления газа во всасывающей магистрали (которое на газопроводах может достигать 5,0 МПа и более) поршни 2 и 3 двигатель-компрессора начинают ускоренное движение к внутренней мертвой точке, завершая процесс продувки двигательной полости 5 и осуществляя сжатие свежего воздуха, поступившего в двигательную полость из системы продувки. По мере возрастания давления в двигательной полости 5 при сжатии свежего заряда в компрессорной полости 6 происходит процесс всасывания газа при практически постоянном давлении. В результате поршни 2 и 3 начи- наюттормозиться. Одновременно с процессом движения поршней 2 и 3 начинают перемещаться плунжеры 8 в гидроцилиндрах 9 гидравлического механизма синхронизации движения поршней, связанные с поршнями 2 и 3 тягами 7. Происходит перетекание жидкости из соответствующих полостей двух гидроцилиндров через гидросистемы и открытые вентили 14, обеспечивая синхронное перемещение поршней двигатель-компрессора.

Одновременно происходит перемещение реактивных поршней 11 внутри цилиндров 12 механизмов вращения, заполненных маловязкой жидкостью. При этом происходит перетекание этой жидкости из внутренних полостей цилиндров 12 механизма вращения в наружные полости через сопла 13, расположенные в виде сег- нерова колеса. Возникает реактивная сила

вытекающей струи, заставляющая вращаться реактивные поршни 11 и, следовательно, связанные с ними поршни 2 и 3 двигатель- компрессора. В результате вращения поршней двигателя-компрессора в зазоре между стенкой втулки 1 цилиндра и стенкой поршня возникает уплотнительный слой газа, препятствующий перетеканию газа из компрессорной полости 6 в двигательную по0 лость 5 и наоборот. При схождении поршней 2 и 3 во внутренней мертвой точке происходит впрыск топлива через топливную форсунку 15 или подается искра через электрическую свечу зажигания. В двига5 тельной полости 5 происходит воспламенение и сгорание топлива, давление газа при этом резко возрастает. Под действием сил давления сгоревшего топлива происходит ускоренное движение поршней 2 и 3 по на0 правлению к внешней мертвой точке. При этом происходит сжатие газа в компрессорных полостях 6. При возрастании давления газа в них до определенного уровня сначала закрываются самодействующие впускные

5 клапаны в головках 4 компрессора, а затем открываются выпускные самодействующие клапаны. Поршни 2 и 3 осуществляют выталкивание газа из компрессорных полостей 6 через выпускные каналы головок 4 в напор0 ную магистраль 17.

Далее цикл повторяется. Важным преимуществом предлагаемого устройства является выполнение компрессора двигателя-компрессора с

5 безбуферной втулкой с коэффициентом вредного пространства не выше 0,1, что повышает КПД компрессора.

В предлагаемой схеме возврат поршней во внутреннюю мертвую точку (процесс

0 сжатия в двигательной полости) осуществляется за счет энергии газа во впускной газовой магистрали (давление в современных газовых магистралях перед линейными компрессорными станциями составляет поряд5 ка 5,0 МПа).

Известны технические решения, где используются свободнопоршневые двигатели с безбуферными втулками с коэффициентом вредного пространства компрессора не вы0 ше 0,1, однако в этих случаях они выполняются двойного действия с двумя, тремя и более двигательными цилиндрами.

Анализ работы предложенного устройства показал, что за счет устранения потерь

5 энергии в буферной полости, за счет применения гидравлической системы синхронизации движения поршней, разгруженной от восприятия полных давлений газа, возникающих при сгорании топлива, а также за счет применения газодинамического уплотнения поршня в цилиндре, экономичность линейного двигатель-компрессора по сравнению с прототипом возрастает на 3-5%.

Формула изобретения Линейный двигатель-компрессор, содержащий корпус с размещенной в нем безбуферной втулкой цилиндра, поршни с газодинамическими уплотнениями, установленные в цилиндре с возможностью перемещения в противоположных направлениях, гидравлический механизм синхронизации движения поршней с гидроцилиндрами и размещенными в них плунже

рами, кинематически связанными с поршнями двигателя-компрессора, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности, мощности и надежности, он снабжен механизмом вращения поршней двигателя-компрессора, выполненным в виде цилиндра, заполненного маловязкой жидкостью и снабженного реактивным поршнем, при этом цилиндр механизма вращения установлен соосно с гидроцилиндром, а реактивный поршень выполнен в виде двухстороннего сегнерова колеса и связан с плунжером гидроцилиндра при помощи штока.

При движении впускного 2 и выпускного 3 поршней одновременно происходит перемещение реактивных поршней 11 внутри 11 цилиндров 12 механизма вращения, заполненных маловязкой жидкостью. При этом происходит перетекание этой жидкости из внутренних полостей цилиндров 12 механизма вращения в наружные полости через сопла 13, расположенные в виде сегнерова колеса. Возникает реактивная сила вытекающей струи, заставляющая вращаться реактивные поршни 11 и, следовательно, связанные с ними поршни 2 и 3 двигателя- компрессора. В результате вращения поршней двигателя-компрессора в зазоре между стенкой втулки 1 цилиндра и стенкой поршня возникает уплотнительный слой газа, препятствующий перетеканию газа из компрессорной полости 6 в двигательную полость 5 и наоборот. 1 ил. // , fff 4 сл с ю