ЕШЕ О СОВЕРШЕНСТВОВАНИИ ПОРШНЕВЫХ МАШИН1
А.А. РЫБАКОВ
Насос-генератор с оппозитным движением поршней
Любая машина с одним поршнем или якорем подвержена вибрации в результате реакции движения поршня. Ниже описан принцип действия насос-генератора, не обладающего этим недостатком.
При работе насос-генератора (рис. 1) в режиме генератора находящаяся под давлением рабочая жидкость от источника жидкости, например насоса, по каналу 9 и трубопроводу 10 подаётся в левую торцевую полость якорь-поршня (далее - якорь) 3, а по каналу 9 и трубопроводу 11- в правую торцевую полость якоря 4. Якоря начинают встречное движение и выдавливают жидкость из правой торцевой полости якоря 3 и левой торцевой полости якоря 4. Жидкость из этих полостей по трубопроводу 12 и каналу 13 возвращается к источнику жидкости.
Якоря изготовлены из магнитомягкого материала, а статорные магниты являются постоянными магнитами. При движении
торцов якорей в магнитных полях ста-торных магнитов 1 и 2 в телах якорей индуцируются магнитные потоки, генерирующие в катушках подмагничивания якорей 5 и 6 импульсы электроэнергии. По достижении якорями крайних точек схождения система управления (на рисунке не показана) переводит клапаны 7 и 8 в противоположные положения, и жидкость от источника по каналу 9 и трубопроводам 14 и 12 начинает поступать в правую торцевую полость якоря 3 и левую торцевую полость якоря 4.
1 Продолжение. Начало см. в № 10.
Рис. 1. Насос-генератор с оппозитным движением якорь-поршней.
36
© А.А. Рыбаков
г
Якоря меняют направление движения и жидкость из левой торцевой полости якоря 3 и правой торцевой полости якоря 4 по трубопроводам 10, 11, 15 и каналу 13 продолжает возвращаться к источнику. В дальнейшем система управления продолжает менять положение клапанов 7 и 8, и якоря совершают оппозитное возвратно-прямолинейное движение. В катушках подмаг-ничивания якорей 5 и 6 генерируются переменные электрические колебания, энергия которых направляется потребителю.
При работе насос-генератора в режиме электропривода на катушки подмаг-ничивания якорей подаётся напряжение, и на торцах якорей возникают магнитные полюса. Если их положение совпадает с показанным на рисунке, то левый торец якоря 3 с северным магнитным полюсом выталкивается из левого кольцевого зазора статорного магнита 1, а правый его торец с южным магнитным полюсом втягивается в левый кольцевой зазор ста-торного магнита 2. Аналогичным образом якорь 4 взаимодействует с правым и кольцевыми зазорами статорных магнитов. Система управления устанавливает клапаны 7 и 8 в крайние точки схождения, и жидкость по трубопроводам 12 и 14 и каналу 9 подается потребителю, например гидромотору, а по каналу 13 и трубопроводам 10 и 11 возвращается в левую торцевую полость якоря 3 и правую торцевую полость якоря 4.
При достижении якорями крайних точек схождения система управления меняет направление тока в катушках под-магничивания якорей 5 и 6 и положение клапанов управлением потоком жидкости, так что жидкость продолжает поступать потребителю и возвращаться от него по каналу 13. Таким образом, оппо-зитный характер движения якорей нейтрализует воздействие сил реакции от движения якорей на корпус насос-генератора.
Изготовить якоря абсолютно идентичными по форме и массе практически невозможно. Кроме того, на характер движения якорей влияют и другие факторы - непредсказуемые перемещения насос-генератора в пространстве,
вращение земли и т.д., поэтому необходимо каким-либо образом обеспечивать их оппозитное синхронное движение. В данном случае синхронизация движения якорей достигается изменением нагрузки на одну из катушек якоря. Так, если скорость левого якоря меньше скорости правого, система управления разрывает цепь катушки подмагничивания левого якоря и скорость якоря увеличивается. Как только скорости якорей сравниваются, система управления восстанавливает цепь катушки подмагни-чивания якоря2.
Энергомодуль с пневматическим преобразованием энергии
моторного топлива в механическую энергию
Такой энергомодуль объединяет достоинства газотурбинного двигателя и двигателя на основе свободнопоршнево-го генератора газов, но лишен их недостатков.
Работа свободнопоршневого генератора газов основана на генерировании газов высокого давления в поршневой машине с последующей подачей их на расширительную машину турбинного или поршневого типов.
Действует он следующим образом. При пуске энергомодуля (рис. 2) топливо подаётся в камеру сгорания 1 форсункой 2 и воспламеняется свечой зажигания 3. Давление продуктов сгорания в камере сгорания увеличивается, и они через клапан 4 поступают в левую полость поршня привода компрессора 5, в результате чего этот поршень § и соединённые с ним штоком 6 поршень ^ компрессора 7 и поршень привода ком- ц прессора 8 начинают движение сле- § ва направо. Воздух из правой полости 1 поршня 5 через клапан 9 перетекает в § левую полость поршня 7, а из правой § полости через клапан 10 - в камеру сго- ^ рания, пополняя в ней расход кислоро- | да в процессе горения топлива. Воздух § из правой полости поршня 8 через кла- " пан 11 уходит в атмосферу, а в его ле- | вую полость через клапан 12 засасыва- | ется воздух из атмосферы.
2 Патент 2328607.
Епегд1е_11.ЫЬ 37
Рис. 2. Энергомодуль с пневматическим преобразованием энергии моторного топлива в механическую энергию.
По достижении поршнями окрестностей правого крайнего положения система управления (на рисунке не показана) переводит клапаны 4 и 11 в правое положение, и продукты сгорания из камеры сгорания поступают в правую полость поршня 8, в результате чего поршни начинают движение справа налево. Отработавшие
газы из левой полости ^-
поршня 5 через клапан 4 вытекают в атмосферу, а в его правую полость через клапан 13 засасывается воздух из атмосферы и отнимает тепло от правого торца поршня. Клапан 12 закрывается, и воздух из левой полости поршня 8 через клапан 14 переходит в правую полость поршня 7. Закрывается клапан 9, и воздух из левой полости поршня 7 через клапан 15 поступает в камеру сгорания. В дальнейшем система управления, переводя клапаны 4 и 11 из одного крайнего положение в другое, обеспечивает подачу воздуха в камеру сгорания.
Пульсации давления, подаваемого в камеру сгорания воздуха, сглаживаются ресивером (на рисунке не показан). При достижении рабочего давления на выходе из камеры сгорания система управления открывает заслонку 17 и продукты сгорания поступают к расширительной машине. Вибрация, возникающая в результате реакции движения поршней, компенсируется применением двух энергомодулей, поршни которых движутся оппозитно.
Газотурбинный двигатель обладает определенными достоинствами. Опишем кратко принцип его действия. Турбина компрессора засасывает воздух из атмосферы и подаёт его в камеру сгора-
ния. Топливо впрыскивается туда же и воспламеняется свечой зажигания, в результате чего повышается температура и давление газового потока, который через сопловой аппарат проходит на лопатки турбины компрессора, нагнетающего воздух из атмосферы в камеру сгорания. После турбины компрессора газы поступают в сопловой аппарат тяговой турбины, создавая момент силы на её валу.
Основное качество газотурбинного двигателя - благоприятная тяговая характеристика для использования его в качестве автомобильного двигателя. Момент вращения тяговой турбины при постоянных параметрах газа обратно пропорционален числу оборотов вала, что делает ненужным механизм перемены передач. Однако низкий адиабатический коэффициент процесса сгорания топлива на малых и средних оборотах вследствие перетечек газов между периферией лопаток и корпусом турбины приводит к неприемлемо высокому удельному расходу топлива.
У двигателя на основе свободнопорш-невого генератора газов есть свой недостаток. Действует такой двигатель так. Свободнопоршневой генератор газов создаёт поток газов повышенного давления и температуры и направляет его
10/19/09 5:25:02 РМ
г
на тяговую турбину. Но поскольку давление генерируемых газов в конце такта расширения, то есть на входе в турбину, не превышает нескольких атмосфер, степень расширения газов в турбине недостаточно высока, что приводит к низкой удельной мощности.
В энергомодуле с пневматическим преобразованием химической энергии моторного топлива в механическую энергию генерируется газ повышенной температуры и повышенного давления (за сотню атмосфер). Следовательно, и степень его расширения в турбине или в цилиндрах расширительной машины значительно выше, чем в традиционном свободнопоршневом генераторе газов. Отсюда - высокие значения удельной мощности и КПД. Тяговая характеристика, как у паровой машины: чем меньше число оборотов вала, тем больше момент силы на валу. Время выхода генератора газов на максимальный режим составляет доли секунды и поэтому можно обойтись без механизмов перемены передач в расширительной машине поршневого типа, а в расширительной машине турбинного типа к тому же и без редуктора. Расход топлива прямо пропорционален развиваемой мощности, то есть КПД постоянен во всём диапазоне нагрузок на двигатель.
В отличие от классического двигателя внутреннего сгорания, здесь требования к физико-химическим характеристикам топлива ниже, что делает модуль многотопливным. Применение жаропрочных или керамических материалов позволяет реализовывать сгорание топлива при стехиометрическом соотношении топливо/окислитель без мероприятий по снижению температуры процесса сгорания.
Затраты на привод компрессора минимальны, а КПД максимален. Охлаждение стенок цилиндра и коллектора даёт возможность применять высокотемпературное воздушное охлаждение - тепло отбирается от стенок камеры сгорания и снова направляется в камеру сгорания. Отсутствие жидкостного охлаждения обеспечивает высокие пусковые качества при любой температуре и быстрый выход на режим максимальной мощности без предварительного прогрева двигателя.
Такие силовые установки окажутся полезными для применения их на большегрузных автомобилях, судах, кораблях, локомотивах и везде, где предпочтительна большая единичная мощность энергомодуля. Да и железные
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.