СПОСОБ СИНХРОНИЗАЦИИ ДВИЖЕНИЯ ПОРШНЕВЫХ ГРУПП СВОБОДНОПОРШНЕВОГО НАСОС-КОМПРЕССОРА С ОБЩИМ ЛИНЕЙНЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ
METHOD OF MOVEMENT SYNCHRONISATION OF PISTON GROUPS OF FREE PISTON PUMP-COMPRESSOR WITH COMMON LINEAR MOTOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области энергомашиностроения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Ближайший прототип заявленного изобретения «Способ синхронизации движения поршней спаренного двухцилиндрового свободнопоршневого энергомодуля», патент 2441993. В изобретении используются технические решения по патенту 2352797 «Способ привода клапана рабочим телом поршневой машины» и патенту 2394341 «Стационарная катушка подмагничивания якоря линейной электрической машины».
Энергомодуль (патент 2441993) преобразует экзотермическую энергию моторного топлива в электроэнергию. В его состав входят две расширительные машины, поршни которых соединены с якорями линейного электрогенератора, линейный электрогенератор, общая внешняя камера сгорания и система управления. Действует он следующим образом.
Продукты сгорания из камеры сгорания 1 (фигура 1) по трубопроводу 2 через газораспределительный клапан 3 поступают в правую (по чертежу) торцевую полость поршня 4 левой расширительной машины 5, а по трубопроводу 6 и через газораспределительный клапан 7 - в левую торцевую полость поршня 8 правой расширительной машины 9. Под действием расширяющихся продуктов сгорания поршни расширительных машин 4, 8 и соединенные с ними якоря линейного электрогенератора 10, 11 начинают расходиться. Якоря могут представлять собой постоянные магниты либо электромагниты, намагничиваемые катушкой подмагничивания 12. Магнитный поток генератора замыкается по контуру - якорь 11, статорный магнит 13, якорь 10 и снова якорь 11. При расхождении якорей 10, 11 их магнитные потоки пересекаются, в результате чего в статорном магните 13 изменяется магнитный поток и, как следствие, в статорной катушке 14 генерируется импульс электроэнергии. При достижении поршнями и якорями точек крайнего расхождения система управления (на чертеже не показана) переводит газораспределительные клапаны 3, 7, 15, 16 в противоположные положения. Теперь продукты сгорания из камеры сгорания 1 по трубопроводу 2 и через газораспределительный клапан 15 поступают в левую торцевую полость поршня 17 левой расширительной машины 5, а по трубопроводу 6 и через газораспределительный клапан 16 - в правую торцевую полость поршня 18 правой расширительной машины 9. Поршни расширительных машин и соединенные с ними якоря генератора начинают сходиться, и в статорной катушке 14 генерируется импульс противоположного знака. При расхождении поршней отработавшие продукты сгорания выбрасываются в атмосферу через газораспределительные клапаны 15 и 16, а при схождении - через газораспределительные клапаны 3 и 7. Одновременно через обратные клапаны 19, 20, 21, 22 из соответствующих полостей поршней расширительных машин по трубопроводам 23, 24 в камеру сгорания 1 подается воздух, обеспечивающий процесс горения топлива, а через обратные клапаны 25, 26, 27, 28 засасывается воздух из атмосферы.
При работе единичного энергомодуля в результате реакции колебательного движения поршней и якоря возникает вибрация корпуса - вибрация первого порядка. Кроме того, на характер движения поршней оказывает влияние неточность изготовления цилиндров и поршней, непредсказуемое перемещение двигателя в пространстве и т.д., что вызывает вибрации корпуса второго порядка. Для нейтрализации вибраций первого порядка единичные энергомодули взаимно ориентированы так, что оси симметрии их поршней и якорей располагаются на одной геометрической прямой, а их движение тем или иным способом организуется оппозитно.
Синхронизация движения поршней и якорей осуществляется следующим образом. Предположим, что скорость поршней и якорей расширительной машины 5 меньше, чем скорость таковых расширительной машины 8. Система управления переводит один из газораспределительных клапанов 7 или 16 в противоположное положение. Если переводится газораспределительный клапан 7, то левая полость поршня 8 и правая полость поршня 18 через газораспределительные клапаны 7 и 16 соединяются с атмосферой, и расширительная машина 9 прекращает преобразовывать энергию расширяющихся продуктов сгорания в механическую энергию движения поршней. Скорость движения поршней расширительной машины 9 уменьшается. В момент времени, когда скорость его поршней достигнет значения, обеспечивающего одновременность прибытия поршней обеих расширительных машин в точки схождения или расхождения, система управления переводит газораспределительный клапан 7 или 16 в противоположное положение. Если же переводится в противоположное положение газораспределительный клапан 16, продукты сгорания поступают в обе полости поршней расширительной машины 9, давление продуктов сгорания в них уравнивается и происходит то же самое, что и в предыдущем случае. Если скорость поршней расширительной машины 9 меньше, чем скорость расширительной машины 5, система управления в отношении газораспределительных клапанов 3 и 15 действует в обратном порядке.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Свободнопоршневой насос-компрессор с оппозитным движением поршневых групп с общим линейным электродвигателем преобразует электроэнергию в энергию давления жидкого или газообразного рабочего тела. Действует он следующим образом. Статорный магнит линейного электродвигателя (фигура 2) состоит из левого магнитопровода 1 и правого магнитопровода 2. Оба магнитопровода примыкают друг к другу по плоскости 3. Для пуска насос-компрессора система управления (на рисунке не показана) от источника электроэнергии подает электрические импульсы напряжения на катушки намагничивания 4 и 5 противоположного знака, в результате чего в обоих магнитопроводах 1 и 2 индуцируются магнитные потоки также противоположного направления. Таким образом, у плоскости примыкания магнитопроводов 3 возникают магнитные полюса одного знака, а на противоположных концах магнитопроводов 1 и 2 - магнитные полюса другого знака. Якоря 6 и 7 линейного электродвигателя, штоки 8 и 9, как и статорный магнит, изготовлены из магнитомягкого материала (патент 2394341). Поэтому магнитные потоки по штокам 8 и 9 распространяются до якорей 6 и 7 и в их телах возникают магнитные полюса одного знака и противоположные знакам у плоскости примыкания магнитопроводов 3. В результате якоря 6 и 7 отталкиваются друг от друга. Левая (по рисунку) поршневая группа в составе штока 8, якоря 6, поршня 10 насос-компрессора и правая поршневая группа в составе штока 9, якоря 7, поршня 11 начинают расходиться. Сжимаемое в левой полости поршня 10 рабочее тело через клапан 12 и сжимаемое в правой полости поршня 11 рабочее тело через клапан 13 (патент 2352797) вытесняется в коллектор 14, через который подается потребителю. Одновременно рабочее тело низкого давления засасывается через обратные клапаны 15 и 16 в правую полость поршня 10 и левую полость поршня 11. После достижения поршневыми группами точек крайних расхождений система управления закрывает клапаны 12 и 13 и открывает клапаны 17 и 18. Одновременно система управления от источника электроэнергии подает электрические импульсы напряжения на катушки намагничивания 4 и 5 теперь уже одноименного знака, в результате чего в обоих магнитопроводах 1 и 2 индуцируются магнитные потоки одного направления. По обе стороны плоскости примыкания магнитопроводов 3 возникают магнитные полюса противоположных знаков, а на противоположных концах магнитопроводов 1 и 2, то есть в телах якорей 6 и 7 - магнитные полюса другого знака. Якоря 6 и 7 притягиваются друг к другу, и поршневые группы начинают встречное движение. Рабочее тело из полостей поршней 10 и 11 через открытые клапаны 17 и 18 вытесняется в коллектор 14. Одновременно рабочее тело низкого давления засасывается через обратные клапаны 19 и 20 в левую полость поршня 10 и правую полость поршня 11.
Вибрации корпуса насос-компрессора (вибрации первого порядка) в результате реакции колебательного движения поршневых групп нейтрализуется вследствие того, что поршневые группы ориентированы так, что оси их симметрии располагаются на одной геометрической прямой, а их движение тем или иным способом организуется оппозитно. Однако на характер движения поршней оказывает влияние и неточность изготовления поршневых групп, неравномерности сил трения поршневых групп между поверхностями трения, непредсказуемое перемещение насос-компрессора в пространстве и т.д., что вызывает вибрации корпуса второго порядка.
Синхронизация движения поршневых групп для нейтрализации вибраций корпуса второго порядка осуществляется следующим образом. Предположим, что при расхождении поршневых групп скорость левой поршневой группы больше, чем скорость правой поршневой группы. Система управления переводит клапан 12 в закрытое положение, вследствие чего давление рабочего тела в левой полости поршня 10 увеличивается и скорость движения левой поршневой группы уменьшается. Клапан 12 остается в закрытом положении до тех пор, пока система управление не определит время его открытия с таким расчетом, чтобы в момент прибытия поршневых групп в точки крайнего расхождения их скорости окажутся равными.
ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель заявленного изобретения состоит в устранении вибраций корпуса насос-компрессора вследствие неточности изготовления поршневых групп, неравномерности сил трения поршневых групп между поверхностями трения, непредсказуемого перемещения насос-компрессора в пространстве и других причин.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ синхронизации оппозитно движущихся поршневых групп свободнопоршневого насос-компрессора с общим линейным электродвигателем, преобразующего электроэнергию в энергию давления жидкого или газообразного рабочего тела, включающего систему управления насос-компрессора, два цилиндра с распределительными клапанами и оппозитно движущимися поршневыми группами в составе поршня, штока и якоря линейного электродвигателя, статорный магнит в составе двух магнитопроводов и двух катушек намагничивания, отличающийся тем, что система управления насос-компрессора отслеживает значение скоростей каждой поршневой группы насос-компрессора, сравнивает их величины и, если скорости поршневых групп насос-компрессора не равны, система управления переводит распределительный клапан, через который рабочее тело подается в коллектор, в закрытое положение того цилиндра, в котором скорость поршневой группы больше, чем скорость оппозитно движущийся поршневой группы в другом цилиндре, и в момент времени, обеспечивающий одновременность прибытия поршневых групп обоих цилиндров насос-компрессора в точки схождения или расхождения, система управления насос-компрессора переводит распределительный клапан в открытое положение.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Затраты на НИОКР и производство заявленного изобретения не могут значительно отличаться от таковых при проектировании и отработке классических компрессоров. Требования к материалам и технологиям не выходят за рамки современных возможностей.
ГРАФИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ
Фигура 1. Принципиальная схема поршневого спаренного двухцилиндрового свободнопоршневого энергомодуля.
1 - камера сгорания; 2, 6, 23, 24 - трубопровод; 3, 7, 15, 16 - газораспределительный клапан; 4, 8, 17, 18 - поршень расширительной машины; 5, 9 - расширительная машина; 10, 11 - якорь; 12 - катушка подмагничивания якоря; 13 - статорный магнит; 14 - статорная катушка; 19, 20, 21, 22, 25, 26, 27, 28 - обратный клапан.
Фигура 2. Принципиальная схема свободнопоршневого насос-компрессора.
1, 2 - магнитопровод статорного магнита; 3 - плоскость примыкания магнитопроводов статорного магнита; 4, 5 - катушка намагничивания; 6, 7 - якорь линейного электродвигателя; 8, 9 - шток; 10, 11 - поршень; 12, 13, 17, 18 - распределительный клапан; 14 - коллектор; 15, 16, 19, 20 - обратный клапан.