Свободнопоршневая машина Советский патент 1982 года по МПК F02B71/00 F01B11/00 

Изобретение относится к двигателя внутреннего сгорания. Известны свободнопоршневые машины (СПМ), содержащие станину с коэхухом, одну внутреннюю цилиндро-поршневую группу с центральной траверсой, расположенной поперечно продольной оси СПМ с возможностью возвратно-поступательного движения в направля1адей и с закрепленными на ней при помощи штоков четырьмя внутренними рабочими поршнями, установленными в рабочих цилиндрах, расположенных в вершинах прямоугольника, и с двумя поршнями сжатия, размещенными во внутренних цилиндрах сжатия, оси которых проходят вне этого прямоугольника. По обе стороны от внутренней цилиндро-поршнэвой группы размещены внешние цилиндро-поршневые группы с соответст ющими внешними траверсами, связаными между собой по меньшей мере одной тягой, содержащие четыре внешних рабочих поршня, установленных в своих рабочих цилиндрах, и два поршня сжатия, размещенные во внешних цилиндрах сжатия. Для согласования взаимного перемещения внутренней и внешней цилиндро-пориневых групп предусмотрено специальное синхронизирующее устройство l. СШ1 известной схемы может иметь достаточно высокую мощность, однако из-за наличия большого числа рабочих полостей и повыиенного веса поршневых групп уравновешивание машины в целом не вполне удовлетворительное. Последнее, помимо прочего, обусловлено возможностью взаимного смещения отдельных цилиндров друг относительно друга, биением траверс и т.д. Затруднен также непосредственный демонтаж цилиндро-поршнсвых групп, что усложняет техническое оборудование СПМ и ее ремонт. Цель изобретения пов1лиение надежности работы и упрощение демонтажа цилиндров СПМ. Поставленная цель достигается тем, что станина СПМ выполнена из нижнего основания и верхнего бруса, связанных между собой по меньшей мере одной центральной моноблочной структурой, на которой закреплены внутренние цилиндры сжатия. . Центральная структура содержит кожух, к которому Прикрепляются через задние торцы внутренние цилиндры, образующие магистрали подвода воздуха, и размещенный в нем картер центральной траверсы, имеющий герметичные отверстия для штоков рабочих поршней. Для повышения жесткости станина может быть снабжена, например, двумя боковыми рамами, к которыг.1 прикреплены внешние цилиндры сжатия, и двумя крестообразными балочными структу рами, в соответствующих двугранных углах которых закреплены рабочие цилиндры СПМ. Сбалансированность цилиндро-поршневых групп достигается расположением тяг внешних поршней сжатия вне центральной траверсы, в плоскости осей внешних цилиндров ежа тин, а также вьшолнением синхронизирующего устройства, по меньшей мере, в виде одного зубчатого колеса. Связанного с передаточными рейками (кре мальерами) траверс, и размещением этого устройства сшлметрично продоль ной оси СПМ, Внутренние поверхности станины цилиндров, кожуха и картера образуют соответствующие мaгиcтpaли-кoм /Iyникации для перемещения воздуха и газа и являются жесткой основой для ограничения взаимного .смещения рабочих и компрессорных цилиндров друг относительно друга. i . На фиг. 1 показана Левая часть МсШ1ины, вертикальная проекция, на. фиг. 2 - принципиальная схема распо.ложения осей рабочих цилиндров и цилиндров сжатия машины, вид с торца, на фиг, 3 - разрез А-А на фиг. 1, на фиг, 4 - разрез Б-Б на фиг. 1, на фиг. 5 - разрез В-В на фиг. 1. Свободнопоршневая машина содержит станину, состоящую из нижнего основания 1 и верхнего бруса 2 той же .длины/ связанных между собой внутрен ней моноблочной структурой 3 и двумя рамами 4, расположенными симметрично относительно средней плоскости. Такая конструкция, дополненная крестообразными структурами 5, придает ста нине повышенную жесткость. На станин крепятся четыре рабочих цилиндра 6, два из которых показаны на фиг. 1 по обе стороны от средней плоскости Оси четырех цилиндров б расположены в вершинах прямс угольника 7 (фиг.2) большая, сторона которого .в данном ва рианте расположена вертикально. Два внутренних цилиндра 8 сжатия двойног действия смонтированы по обе стороны Ьт центральной моноблочной стркутуры 3,Оси цилиндров 8 пересекают малую медиану прямоугольника 7, К каждой раме 4 сверху и снизу крепятся два цилиндра 9 сжатия (таклсе двойного . действия) , Оси цилиндров 9 перес.екают большую медиану 10 прямоугольника 7 за его пределами, Внутренняя цилиндро-поршневая группа содержит центральную траверсу 11 (фиг.З), которая обычно изготовляется в виде цельной кованой заготовки для противостояния усилиям, которым она подвергается. Траверса 11 насажена на осевую трубу 12 закрепленную в подшипниках (не показаны) , отстоящих друг от друга на расстоянии, равном по меньшей мере трем диаметрам трубы (подшипники могут быть жестко смонтированы .на станине), На траверсе имеются два расположенных горизонтально плеча, связанных со штоками 13 поршней внутренних цилиндров В сжатия. Два выступа траверсы соединены с соответствующими штока /да четырех внутренних рабочих цилиндров 6 (фиг.З), С целью уменьшения разбрызгивания смазки, упомянутая центральн.ая структура образована кожухом 14, внутри которого находится картер 15, охватывающий траверсу и имеющий размеры, обеспечивающие ее свободное перемещение. Картер 15 оборудован проклсщками, установленныгли в то.чках прохода через него штоком 13, связывающих .траверсу с поршнями. На картере 15 или на кожухе 14 могут быть укреплены подшипники направлякядей трубы 12. На кожухе 14 укреплены задними торцами внутренние цилиндры 8 сжатия, что улучшает равновесие подвижных частей машины. Две внешние цилиндро-поршневые группы расположены симметрично относительно средней плоскости и включают в себя внешние траверсы 16 (фиг.4) горизонтальный размах которых меньше, чем у центральной траверсы 11, Таким путем достигается сбалансированность масс внешней и внутренних цилиндро-поршневых групп и значительно уменьшаются усилия, передаваемые на внешние траверсы, в частности, во рабочего хода. В это время усилие противоположных знаков передаются на штоки поршневых внешних рабочих ЦИЛИНДРОВ б и на тяги 17, связываюадиэ траверсы 16, расположенные 1 под прямым углом относительно блоков поршней цилиндров 9 сжатия, npi - таком расположении тяг они находятся вне центральной траверсы 11 и их изготавливать из цельной заготовки (это позволяет довольно легко демонтировать траверсу 11). Траверсы 16 закрытые картером 18, оборудованным уплотнительными прокладками, через которые проходят штоки поршней и тяги. Они снабжены направляющими трубами 19, скользящими в подшипниках (не показаны). Эти подшипники могут Ьыть укреплены на картере 18 или на кожухе 20, которые охватывают их, усиливая раму, несущую компрессоры , Синхронизирующее устройство вклюг чает в себя два зубчатых колеса 21 (фиг.4 и 5), установленных к средней горизонтальной плоскости машины. Каж дое колесо 21 находится в зацеплении с двумя зубчатыми рейками (кремальерами) 22 и 23. Рейки 22 укрепле ны на центральной траверсе 11,. а 23 - на одной из внеиних траверс 16 Оба колеса 21 расположены по одну сторону от средней вертикальной плос кости машины с тем, чтобы не образовать гиперстатическую систему с тягами 17. Зубчатые колеса смонтированы на эластичных п.одшипниках для гашения чрезмерных усилий при согласовании .перемещения поршневых групп Крепление различных цилиндров осуществляется при помощи средств, ограничивающих возможность их деформации и смещения. Внешние цилиндры 9 сжатия крепятся внутренней стороной, расположенной рядом с траверсой при помощи, например, болтов (не показаны), которые могут также удер живать корпуса клапанов на соответгствунидей раме 4. Эта рама, размер которой примерно равен толщине траверсы 16, сама закреплена между нижним основанием 1 и брусом 2. В середине рама 4 стягивается при пом щи крестообразной структуры. Жесткость всего узла ст.анины может быть дополнительно увеличена, например, путем соединения наружных торцов обоих цилиндров 9 при ПОМО-. 1да пластины 24 (фиг.1).В этом случае возможно некоторое смещение, но соответствующие усилия сравнительно невелики в сопоставлении с динамиче кими силами, налравленными к центру крепления компрессоров. Крепление внутренних горизонталь ных цилиндров 8 сжатия создает проб лему, не возникающую в случае крепления внешних вертикальных цилиндро 9, так как необходимо обеспечить доступ к форсункам и демонтаж рабочих цилиндров без специашьных подго товительных работ (предпочтительно целиком). Это достигается благодаря наличию внутренней моноблочной стру туры 3. Цилиндры 8 сжатия крепятся, например, при помощи скоб на боковых частях кожуха 14, который долже иметь достаточную толщину стенок (например, 40 мг) . апагодаря такому расположению цилиндры сжатия могут иметь симметричное расположение охлаждающих водопроводов и трубопроводов сжатого воздуха для снижения термических нагрузок. Рабочие цилин ры 6 размещаются каждый в одном из двугранных углов крестообразной структуры 5. Они могут устанавливат ся на рабочее место путем запрессов ки и вращения в горизонтальной плос кости. Таким образом, они устанавливаются в свои гнезда, которые предварительно предусмотрены на моноблочной структуре. Описанные выше устройства позволяют создать очень надежную систему циркуляции жидкости, а также реали зовать сложные терм.одинс1мические циклы для повышения производительности машины. Так, наличие картеров 15 и 18 позволяет собирать масло, смазывающее вкладыши и, следовательно, уменьшает его потери и загрязнение им узлов. Масло собирается на дне картеров 15 и 18 и отводится 4et5e3 автоматические маслоотводы до смешения с излишками масла, вытекающими из рабочих цилиндров, (маслоотводы 25 и 26 показаны на фиг.3 и 4). Циркуляция воды, охлсшдающей поршни рабочих цилиндров 6, осуществляется через внутренние полост.и штоков , поршней и через трубы, укрепленные на траверсах. На фиг. 3 показаны трубы 27 для подвода обработанной воды для охлаждения поршней и 2В для ее отвода. На фиг. 4 показаны трубы подвода 29 и отвода 30 воды, охлаждающей внешние рабочие поршни. Предлагаемая схема машины позволяет реализовать циклы с турбонаддувом или с двухступенчатым сжатием воздуха, например, в двух группах компрессорных цилиндров. В последнем случае соответствующий результат может быть достигнут путем группировки однотипных кo лпpeccopoв по четыре на каждом конце машины: цилиндры 8 сжатия, расположенные слева (по фиг.1) от середины, составляют первую группу компрессоров высокого давления (ВД), а четыре компрессора, расположенные с другой стороны, могут рассматриваться как компрессоры среднего давления (СД) . В се ци.линдры сжатия засасывают воздух из отсеков магистралей, образованных кожухом 14 и рамс1ми 4, куда воздух может податься турбокомпрессором (не показан). В этом вариантеисполнения цилиндры сжатия 9, расположенные слева (компрессоры ВД), подают воздух в коллекторы ВД 31 через флаНцы 32, смещенные относительно оси (фиг. 1 и 3). Коллекторы 31 могут быть оборудованы охладителями 33 (фиг.1) и подавать воздух в магистрали продувки 34, из которых воздух поступает во все рабочие цилиндры 6. Цилиндры сжатия СД, расположенные справа, питают коллектор среднего давления. Часть воздуха, поступившего в этот коллектор СД, может подаваться в газовую турбину, приводящую турбокомпрессор. Оставшийся воздух смешивается с выхлопными газами рабочих цилиндров 6 и поступает вместе с ними к газовой турбине, приводяще например, генератор переменного ток Предлагаемое расположение центральной и внешней траверс и размеще ние цилиндров для поршневых групп в сочетании с устройством двойной син ронизации позволяет устранить нерав номерные усилия, возникающие в отдельные периоды рабочего цикла, и полностью уравновесить машину, отдельные элементы которой жестко закреплены на всей системе станины и на вмонтированном в нее кожухе о картером. Формула изобретения 1. Свободнопоршневая машина, содержащая станину с кожухом, одну внутреннюю цилиндро-поршневую группу с центральной траверсой 11, расположенной поперечно продольной оси машины с .возможностью возвратнопоступательного движения в направля щей и с закрепленными на ней при по мощи uTOKOB .четырьмя внутренними ра бочими поршнями, установленными в рабочих цилиндрах б, расположенных в вершинах соответствующего прямоугольника, и с двумя поршнями сжати размеценньпди вр внутренних цилиндрах сжатия 8, оси которых проходят вне этого прямоугольника, лве внешние цилиндро-поршневые группы с соответствующими внешними траверсами 16, связанными между собой по меньшей мере одной тягой 17, с четырьмя внешними рабочими поршнями, установ ленными в рабочих цилиндрах, и с двумя поршнями сжатия, размещенными во внешних цилиндрах сжатия 9, а также синхронизирующее устройство для согласования взаимного перемеще .ния внутренней и внешних цилиндропоршневых групп, отличающа я с я тем,, что, с цел.ью повышения надежности работы и упрощения демон тажа цилиндров путём увеличения жесткости станины, последняя состоит из нижнего основания 1 и верхнего бруса 2, связанных между собой по меньшей мере одной центральной моноблочной структурой 3, на которой закреплены внутренние цилиндры сжатия 8. 2.Машина поп.1, отличающаяся тем, что центральная структура содержит кожух 14, к которому прикреплены через задние торцы внутренние цилиндры сжатия 8 для образования магистрали подвода воздуха. 3.Г- ашина по п.2, отличающаяся тем, что в кожухе 14 размещен картер 15 центральной траверсы 11, имекиций герметичные отверстия для штоков 13 рабочих поршней. 4.Машина по пп. 1-3, о т л и чающаяся тем, что станина снабжена двумя боковыми рамами 4, к которым прикреплены внешние цилиндры сжатия, и двумя крестообразными структурами 5, связанными с центральной моноблочной структурой 3. 5.Машина поп.4,отличающ а я с я тем, что.рабочие цилиндры б закреплены в соответствующих двугрсшных углах крестообразных структур 5. 6.Машина попп, 1и2, отличающаяся тем, что тяги 17, внешних поршней сжатия расположены вне центральной траверсы 11. 7.Машина по п.1, о т л и ч а ющ а я с я тем, что, тяги 17, связывающие внешние траверсы 16, расположены в плоскости осей внешних цилиндров сжатия. 8.Машина по п.1, от л и ч а ю щ а я с я тем, что синхронизирующее устройство цилиндро-поршневых групп размещено симметрично относительно продольной оси машины и выполненс в виде по меньшей мере одного зубчатого колеса 21, связанного с передаточными рейками траверс. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Патент Франции 1601540, кл. F 02 В 71/00, опублик, 1970.

iTi

4i

ч: t

s;