СПОСОБ РАБОТЫ СВОБОДНО-ПОРШНЕВОГО ГЕНЕРАТОРА ГАЗОВ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR OPERATION OF FREE-PISTON GAS GENERATOR AND APPARATUS FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Область техники.
Предлагаемое изобретение относится к двигателестроению, в частности, к свободнопоршневым генераторам газов (СПГГ). Заявленное изобретение направлено на разработку способа генерации газов с повышенными давлением и температурой, нагнетаемых в турбину для увеличения ее КПД, а также на разработку схемы генератора газов, работающего на бензине, и на разработку схемы генератора газов, работающего на расширенном ассортименте топлив. Идея совместной работы дизеля и газовой турбины получила развитие в виде комбинированных газотурбинных установок со свободнопоршневыми генераторами газа. Известно, что для получения наибольшего КПД при определенной температуре выхлопных газов требуется соответствующее давление этих газов. Например, максимальный КПД, равный 20-22%, можно получить при температуре газов 700-750 градусов С и давлении, равном 7-8 бар, а максимальный КПД, равный 36-38%, можно получить при температуре 1000-1200 градусов С и давлении газов 10-12 бар. (См. Л1. Раздел: Экономичность газотурбинных двигателей.)
Из существующего уровня техники известен свободнопоршневой генератор газов прямоточного двигателя, отличающийся тем, что подача воздуха из атмосферы в камеру сгорания генератора газов осуществляется свободнопоршневым компрессором, поршень которого размещается посередине штока, с расположенными на концах штока поршнями привода компрессора, приводимыми в действие продуктами сгорания из камеры сгорания генератора газов. Технической задачей известного изобретения является улучшение удельных массовых и габаритных показателей свободнопоршневого генератора и увеличение КПД. (Патент: РФ 2324060).
В известном свободнопоршневом генераторе газов сгорание топлива происходит в пульсирующем режиме в открытой камере сгорания без предварительного сжатия рабочей смеси, в результате этого теплотворная способность топлива используется не полностью. Не используется тепло сжатого продувочного воздуха. Схема СПГГ отличается сложностью, содержит большое количество запорных устройств и извилистых воздушных и газовых каналов.
Известна также комбинированная газотурбинная установка со свободнопоршневыми генераторами газа с двумя турбинами и раздельной подачей к ним выпускных газов и воздуха, подогреваемого в промежуточном регенераторе, отличающаяся тем, что с целью обеспечения оптимального регулирования и повышения экономичности установки СПГГ выполнены в виде блока с общим для всех цилиндров внутреннего сгорания газовым и воздушным коллекторами, из которых первый отводит все выпускные газы к одной турбине, а второй направляет воздух от компрессорных полостей одного или нескольких свободнопоршневых генераторов газа через регенератор на продувку и зарядку всех цилиндров внутреннего сгорания, и с ресивером, объединяющим воздух по второму потоку, направляемому к другой турбине от компрессорных цилиндров остальных свободнопоршневых генераторов газа, имеющих независимую регулировку.
Изобретение направлено на обеспечение оптимального регулирования и повышения экономичности таких установок путем эффективного использования энергии разделенных потоков сжатых газов и воздуха, (патент: SU 114827 А1).
Для эффективной работы газовой турбины нагнетаемые в нее газы должны иметь достаточно высокие давление и температуру. В известной комбинированной газотурбинной установке со свободнопоршневыми генераторами газа для наиболее полного использования энергии сжигаемого топлива использованы две турбины.
Первая турбина работает на отработанных газах. В режиме работы дизеля давление и температура выхлопных газов обычно находятся на уровне около 5 бар и 700 градусов С, что недостаточно для эффективной работы турбины. В качестве рабочего тела для второй турбины используют сжатый воздух. Температура воздуха, сжатого в компрессионных полостях генераторов газа, после его подогрева выхлопными газами остается низкой. В результате обе турбины работают не достаточно эффективно.
Наиболее близкой по совокупности признаков к заявленному изобретению является комбинированная газотурбинная установка, состоящая из свободнопоршневого генератора газа, газовой турбины и ресивера. В центре генератора расположен цилиндр двухтактного дизеля с прямоточной продувкой; продувочные окна размещены симметрично относительно центра дизельной втулки, где расположена форсунка жидкого топлива. С обеих сторон дизельная втулка непосредственно соединена с цилиндрами поршневого компрессора, снабженными всасывающими, нагнетательными и пусковыми клапанами. Один ряд продувочных окон через полость, окружающую цилиндр дизеля, сообщается с нагнетательными клапанами компрессора, а другой ряд - с трубопроводом, идущим к ресиверу и далее к газовой турбине. Поршни генератора выполнены двухступенчатыми: дизельные - меньшего диаметра и компрессорные - большего (См. Л.1, Раздел: Газовые турбины со свободнопоршневыми генераторами газа.).
В известном СПГГ наряду с его простой конструкцией имеются недостатки, а именно:
Давление и температура отработанных газов вместе с продувочным воздухом не достаточны для эффективной работы турбины. Возникают трудности при обеспечении строгого согласованного движения поршней, особенно при нестабильной нагрузке турбины. Обратный ход компрессорных поршней осуществляют за счет реакции сжимаемого в буферах воздуха. При минимальной нагрузке турбины доза топлива должна быть минимальна, но при этом реакция сжимаемого воздуха в буферных полостях может оказаться не достаточной для сжатия топливовоздушной смеси, особенно в дизельном режиме работы, поэтому дозу топлива необходимо увеличить, что ведет к перерасходу топлива.
При исследовании отличительных признаков аналогов изобретения не выявлены решения, позволяющие на СПГГ генерировать газы с повышенными давлением и температурой, необходимыми для повышения КПД турбины.
Сущность.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способа генерации газов с повышенными давлением и температурой, необходимыми для повышения КПД турбины. Предлагаемый способ реализуют на двухтактных СПГГ. По первому варианту СПГГ работает на бензине. По второму варианту СПГГ работает на расширенном ассортименте топлив.
Поставленная задача по разработке способа получения газов с повышенными давлением и температурой решается за счет того, что в двухтактном генераторе газов, содержащем две компрессионные полости и две камеры сгорания, отличающимся тем, что с целью повышения КПД турбины, подключенной к его выходам, отработанные газы после рабочего хода из одной камеры сгорания нагнетают в турбину во время рабочего хода в другой камере сгорания, причем после завершения нагнетания воздуха в турбину производят продувку камеры сгорания и заполнение ее сжатым воздухом с последующей реализацией очередного рабочего хода.
Поставленная задача по разработке способа получения газов с повышенными давлением и температурой решается за счет того, что в двухтактном генераторе газов, работающем на расширенном ассортименте топлив, содержащем две компрессионные полости и две камеры сгорания с закрытыми предкамерами, отличающимся тем, что с целью повышения КПД турбины, подключенной к выходам камер сгорания, отработанные газы после рабочего хода из одной камеры сгорания нагнетают в турбину во время рабочего хода в другой камере сгорания, причем продувку и заполнение сжатым воздухом каждой предкамеры реализуют в конце рабочего хода, а впрыск топлива, воспламенение его и выдержку горящей смеси в одной предкамере осуществляют во время рабочего хода в другой предкамере.
Поставленная задача по разработке схемы СПГГ для получения газов с повышенными давлением и температурой решается за счет того, что в двухтактном генераторе газов, работающем на бензине, содержащем цилиндр, в середине которого установлена стенка с отверстием, в котором скользит шток поршневой группы с первым и вторым поршнями на концах штока, торцы цилиндра закрыты первой и второй крышками, в каждой из которых смонтированы входной и выходной клапаны, а также форсунка и свеча зажигания; в цилиндре находятся первая камеры сгорания, первая и вторая компрессионные полости и вторая камера сгорания, размещенные соответственно между первой крышкой цилиндра, первым поршнем, стенкой цилиндра, вторым поршнем и второй крышкой цилиндра; первая компрессионная полость содержит входной клапан и соединена каналом через входной клапан со второй камерой сгорания, вторая компрессионная полость содержит входной клапан и соединена каналом через входной клапан с первой камерой сгорания.
Поставленная задача по разработке схемы СПГГ, работающем на расширенном ассортименте топлив, для получения газов с повышенными давлением и температурой решается за счет того, что в двухтактном генераторе газов, содержащем цилиндр, в середине которого установлена стенка с отверстием, в котором скользит шток поршневой группы с первым и вторым поршнями на концах штока, по краям цилиндра смонтированы две камеры сгорания и две предкамеры, содержащие форсунку, свечу зажигания, входной клапан и запорное устройство с выходом в камеру сгорания, в каждой из которых расположено выходное запорное устройство; между первым поршнем, стенкой цилиндра и вторым поршнем расположены две компрессионные полости, первая полость содержит входной клапан и соединена каналом с входным клапаном первой предкамеры, вторая полость содержит входной клапан и соединена каналом с входным клапаном второй предкамеры.
Сущность изобретения поясняется на чертежах, которые приведены в качестве примеров для пояснения способа работы СПГГ.
На фиг. 1 представлена схема СПГГ, работающего на бензине, с повышенными давлением и температурой отработанных газов на выходах камер сгорания.
На фиг. 2 представлена зависимость давления р от времени t в первой камере сгорания 7.
На фиг. 3 представлена зависимость давления р от времени t в компрессионной полости 8.
На фиг. 4 представлена зависимость давления р от времени t в компрессионной полости 9.
На фиг. 5 представлена зависимость давления р от времени t во второй камере сгорания 10.
На фиг. 6 представлена схема СПГГ, работающего с расширенным ассортиментом топлив, с повышенными давлением и температурой отработанных газов на выходах камер сгорания.
На фиг. 7 представлена зависимость давления р от времени t в первой предкамере 17.
На фиг. 8 представлена зависимость давления р от времени t в первой камере сгорания 7.
На фиг. 9 представлена зависимость давления р от времени t в компрессионной полости 8.
На фиг. 10 представлена зависимость давления р от времени t в компрессионной полости 9.
На фиг. 11 представлена зависимость давления р от времени t во второй камере сгорания 10.
На фиг. 12 представлена зависимость давления р от времени t во второй предкамере 18.
Вертикальные линии на диаграммах обозначают границы тактов.
Сущность изобретения по получению отработанных газов с повышенными давлением и температурой поясняется на примере схемы СПГГ, работающего на бензине, приведенной на фиг. 1. СПГГ, работающий по предлагаемому способу, содержит цилиндрическую полость 1, в середине которой установлена стенка 2 с отверстием, в котором скользит шток поршневой группы с поршнем 5 и поршнем 6 на концах штока. С двух сторон цилиндр закрыт крышками 3 и 4. Цилиндр разделен на четыре полости - 7, 8, 9 и 10, расположенные в промежутках соответственно между первой крышкой 3, поршнем 5, стенкой 2, поршнем 6, и крышкой 4. Полости 7 и 10 являются камерами сгорания. Полости 8 и 9 являются компрессионными полостями. Камера сгорания 7 и камера сгорания 10 содержат входные клапаны 11, выходные запорные устройства (ЗУ) 12, форсунки 15 и свечи зажигания 16. Полость 8 содержит входной клапан 13 и соединена каналом через клапан 11 с камерой сгорания 10. Полость 9 содержит входной клапан 14 и соединена каналом с входным клапаном 11 камеры сгорания 7.
В первом такте во время рабочего хода в камере сгорания 7 поршневая группа движется вправо, фиг. 2 1 и 2. В полости 8 выполняют такт сжатия, фиг. 3 1 и 4. В полость 9 через клапан 14 всасывается воздух, фиг. 4 1 и 2. В камере сгорания 10 поршень 6 вытесняет в турбину через ЗУ 12 отработанные в предыдущем рабочем ходе газы, фиг. 5 1 и 3. Во втором такте рабочий ход реализуют в камере сгорания 10, фиг. 5 5 и 6. Поршневая группа движется влево. Отработанные в первом такте газы через ЗУ12 камеры сгорания 7 нагнетают в турбину, фиг. 2 2 и 4. Перед завершением рабочего хода возрастающее давление в полости 9 превышает понижающееся давление вытесняемых газов из камеры сгорания 7. Открывают входной клапан 11 и воздухом из полости 9 продувают камеру сгорания 7, фиг. 2 3 и 4. Закрывают ЗУ12 и в камеру сгорания 7 продолжают нагнетать сжатый воздух из полости 9, фиг. 2 4 и 5. При достижении требуемого давления входной клапан 11 закрывают. В камеру сгорания 7 впрыскивают топливо и после его выдержки и воспламенения, фиг. 2 5 и 6, реализуют очередной рабочий ход, фиг. 2 6 и 7. Работа в камере сгорания 10 выполняется аналогично.
Сущность изобретения по получению отработанных газов с повышенными давлением и температурой в СПГГ, работающем на расширенном ассортименте топлив, поясняется на примере схемы, приведенной на фиг. 6.
СПГГ, работающий по предлагаемому способу, содержит цилиндрическую полость 1, в середине которой установлена стенка 2 с отверстием, в котором скользит шток поршневой группы с поршнем 5 и поршнем 6 на концах штока. Торцы цилиндра закрыты крышкой 3 и крышкой 4, рядом с которыми смонтированы соответственно предкамера 17 и предкамера 18, содержащие входные клапаны 11, выходные запорные устройства 19, форсунки 15 и свечи зажигания 16. Рядом с предкамерой 17 расположена камера сгорания 7, содержащая выходное ЗУ 12 и соединенная с предкамерой 17 через ЗУ 19. Рядом с предкамерой 18 расположена камера сгорания 10, содержащая выходное ЗУ 12 и соединенная с предкамерой через ЗУ19. Между поршнем 5 и стенкой цилиндра 2 расположена компрессионная полость 8, содержащая входной клапан 13 и соединенная каналом через клапан 11 с предкамерой 17. Между стенкой цилиндра 2 и поршнем 6 расположена компрессионная полость 9, содержащая входной клапан 14 и соединенная каналом через клапан 11 с предкамерой 18.
В первом такте во время рабочего хода в предкамере 17, фиг. 7 1 и 5, сгоревшие в ней газы через запорное устройство 19 проходят в камеру сгорания 7 и смещают поршневую группу вправо, фиг. 8 1 и 4. В полости 8 выполняют такт сжатия, фиг. 9 1 и 4. В полость 9 через клапан 14 всасывается воздух, фиг. 10 1 и 2. В камере сгорания 10 поршень 6 вытесняет через ЗУ 12 отработанные в предыдущем рабочем ходе газы, фиг. 11 1 и 2. Предкамера 18 заполнена сжатым воздухом, фиг. 12 1 и 2. Перед завершением рабочего хода возрастающее давление в полости 8 превышает понижающееся давление расширяющихся газов в камере сгорания 7. Открывают клапан 11 в предкамере 17 и после продувки ее воздухом из полости 8 с выходом воздуха в камеру сгорания 7, фиг. 7 2 и 3, закрывают ЗУ 19 с последующим нагнетанием в предкамеру 17 воздуха из полости 8, фиг. 7 3 и 4. При достижении требуемого давления входной клапан 11 предкамеры 17 закрывают. В конце первого такта впрыскивают топливо в предкамеру 18 и после его воспламенения и выдержки, фиг. 12 2 и 3, реализуют во втором такте очередной рабочий ход в предкамере 18, фиг. 12 3 и 7, и в камере сгорания 10, фиг. 11 2 и 5. Поршневая группа смещается влево. Из камеры сгорания 7 отработанные в первом такте газы вытесняют через ЗУ12, которое закрывают в конце второго такта. Фиг. 8 4 и 5. В предкамеру 17 впрыскивают топливо и после его воспламенения и необходимой выдержки, фиг. 7 6 и 7, открывают ЗУ19 в камеру сгорания 7 и реализуют очередной рабочий ход в предкамере 17, фиг. 7 7 и 11, и в камере сгорания 7, фиг. 8 5 и 8. Далее работу предкамер СПГГ реализуют аналогично.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением указанного результата по предлагаемому способу работы СПГГ, следующие:
Количество воздуха, сжимаемого в компрессионных полостях 8 и 9, должно быть достаточным для продувки предкамер и заполнения их сжатым воздухом.
Требуемое давление и соответственно необходимая степень сжатия воздуха в камерах сгорания СПГГ, работающем на бензине, и в предкамерах СПГГ, работающем на расширенном ассортименте топлив, могут быть получены за счет своевременного запирания входных клапанов 11 при нагнетании через них воздуха. Аналогичный результат может быть получен при нагнетании в компрессионные полости генератора газов воздуха от внешнего компрессора с регулируемым давлением воздуха на его выходе.
Работу СПГГ на расширенном ассортименте топлив осуществляют как за счет регулировки степени сжатия в предкамерах так и за счет выдержки топливной смеси в предкамерах, необходимой для полного ее сгорания.
Избыточная температура отработанных газов может быть понижена за счет впрыска воды в выхлопные патрубки СПГГ.
Согласованная работа узлов СПГГ может быть осуществлена при использовании электронного блока управления и при наличии необходимых датчиков.
Работу группы СПГГ, работающих на турбину, синхронизируют за счет управляемой последовательности впрыска топлива или поджигания его в камерах сгорания, причем управление в СПГГ по сравнению с прототипом упрощено, поскольку поршни жестко связаны между собой штоком. В предложенном СПГГ имеются два рабочих выхода через ЗУ 12, они могут быть объединены перед входом в турбину или каждый из них может быть подключен к отдельной турбине.
Вместо турбины может быть использовано роторно-лопастное устройство.
Запуск в работу СПГГ может быть осуществлен поочередной подачей сжатого воздуха в полости 8 и 9 через ЗУ 13 и ЗУ 14, впрыском и поджиганием топлива в камерах сгорания.
Запорные устройства могут быть изготовлены предпочтительно в виде вала с каналами для прохода газов, которые поворачиваются в подшипниках под действием электромагнитного привода.
Источники информации:
1. Бартош Е.Т. Газовая турбина на железнодорожном транспорте. Издательство "Транспорт". Москва. 1972 г. Разделы: Экономичность газотурбинных двигателей, Газовые турбины со свободнопоршневыми генераторами газа.
2. Патент: РФ 2324060. МПК F02B 71/06, МПК F04B 31/00. Свободнопоршневой генератор газов прямоточного двигателя с двумя поршнями привода компрессора.
3. Патент: SU 114827 A1. МПК F02C 3/28, МПК F02C 9/06. Комбинированная газотурбинная установка со свободнопоршневым генератором газа и способ регулирования.