СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫМИ КЛАПАНАМИ УДАРОВ ПОРШНЕВЫХ ГРУПП О ТОРЦЫ ЦИЛИНДРОВ В СВОБОДНОПОРШНЕВОМ КОМПРЕССОРЕ С ЛИНЕЙНЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ
METHOD TO PREVENT CONCUSSION OF PISTON GROUPS AGAINST CYLINDER ENDS IN FREE-PISTON COMPRESSOR WITH LINEAR ELECTRIC MOTOR WITH HELP OF GAS DISTRIBUTION VALVES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области энергомашиностроения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Ближайший прототип заявленного изобретения «Способ синхронизации движения поршней спаренного двухцилиндрового свободнопоршневого энергомодуля», патент 2441993. Энергомодуль в части, касающейся заявленного изобретения, действует следующим образом.
Продукты сгорания из камеры сгорания 1 (Фигура 1) по трубопроводу 2 через клапан 3 поступают в правую (по схеме) полость поршня 4 левой расширительной машины 5, а по трубопроводу 6 через клапан 7 - в левую полость поршня 8 правой расширительной машины 9.
Под действием расширяющихся продуктов сгорания поршни 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 полость поршня 17 левой расширительной машины 5, а по трубопроводу 6 и через клапан 16 - в правую 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.
ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель заявленного изобретения - достигнуть предотвращения ударов поршневых групп о торцы цилиндров в свободнопоршневом компрессоре, исключив какие-либо механические связи.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Сущность заявленного в части, касающейся изобретения, поясняется на примере описания принципа действия свободнопоршневого компрессора с линейным электродвигателем, преобразующего электроэнергию в энергию давления газов. Действует он следующим образом.
Статорный магнит линейного электродвигателя (фигура 2) состоит из левого и правого магнитопроводов 1 и 2. Оба магнитопровода примыкают друг к другу по плоскости 3. Для пуска компрессора система управления (на рисунке не показана) от источника электроэнергии подает импульсы электроэнергии 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. 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 чего якоря 6 и 7 отталкиваются друг от друга. Левая (по рисунку) поршневая группа в составе штока 8, якоря 6, поршня 10 компрессора и правая поршневая группа в составе штока 9, якоря 7, поршня 11 начинают расходиться. Сжимаемый в левой полости поршня 10 газ через выпускной клапан 12 и сжимаемый газ в правой полости поршня 11 через выпускной клапан 13 вытесняются в коллектор 14, откуда подаются потребителю. Одновременно газ 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 выпускные клапаны 12 и 13 и открывает выпускные клапаны 17 и 18. Одновременно система управления от источника электроэнергии подает импульсы электроэнергии 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 выпускные клапаны 17 и 18 вытесняется в коллектор 14. Одновременно газ низкого давления засасывается через обратные клапаны 19 и 20 в левую полость поршня 10 и правую полость поршня 11.
Предотвращение соударений поршней о торцы цилиндров состоит в следующем. При расхождении поршневых групп компрессора система управления отслеживает величину давления газа в левой полости поршня 10 и в правой полости поршня 11. На основе этих величин система управления вырабатывает алгоритм закрытия выпускных клапанов 12 и 13 в конце движения поршневых групп с таким расчетом, чтобы по прибытию их в конечные точки движения скорости оказались равны нулю. Затем в соответствии с алгоритмом при приближении поршневых групп к окрестностям крайних точек расхождения система управления закрывает выпускные клапаны 12 и 13. Вследствие увеличения давления сжимаемого в компрессорных полостях поршней 10 и 11 газа сопротивление движению поршневых групп возрастает и приводит к их торможению и остановке, что предотвращает удары поршневых групп о торцы цилиндров. В момент, близкий к остановке поршневых групп, система управления открывает клапаны 17 и 18 и одновременно подает электрические импульсы напряжения на катушки намагничивания 4 и 5 теперь уже одноименного знака, и поршневые группы начинают сходиться.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ предотвращения газораспределительными клапанами ударов поршневых групп о торцы цилиндров в свободнопоршневом компрессоре с линейным электродвигателем, включающим поршневые группы в составе поршней компрессора с компрессорными полостями, выпускные клапаны и систему управления, отличающийся тем, что при движении поршневых групп свободнопоршневого компрессора с линейным электродвигателем система управления отслеживает величины давления газа в тех полостях поршней компрессора, где происходит сжатие газа, и на основе этих величин вырабатывает алгоритм закрытия выпускных клапанов в окрестностях крайних точек движения поршневых групп с таким расчетом, чтобы по прибытию поршневых групп в конечные точки движения скорости поршневых групп компрессора оказались равны нулю, затем при приближении поршневых групп к окрестностям крайних точек движения система управления в соответствии с алгоритмом закрытия выпускных клапанов в окрестностях крайних точек движения поршневых групп закрывает выпускные клапаны, в результате чего давление сжимаемого в компрессорных полостях поршней компрессора газа возрастает, что приводит к торможению и остановке поршневых групп, и в момент, близкий к остановке поршневых групп, система управления подает электрические импульсы напряжения на катушки намагничивания теперь уже таких знаков, при которых поршневые группы начинают двигаться в противоположные точки движения.
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 - выпускной клапан; 14 - коллектор; 15, 16, 19, 20 - обратный клапан.