Свободно-поршневые генераторы газа и компрессоры.

[Владимир Александрович]

Уважаемые коллеги!

      По инициативе участников форума открываем новую тему, которая здесь практически не звучала, если не считать отдельных порывов.
       Последнее время заметен возросший интерес к силовым установкам, содержащим агрегаты, работающие по принципу свободных поршней, непосредственно передающих механическую работу потребителю.
        Терминология названий еще до конца не устоялась.
        Чаще всего такие силовые агрегаты назывались и называются:
СПГГ - свободнопоршневой генератор газа;
БГГ - безвальный генератор газа;
СПД - свободнопоршневой двигатель;
СПК - свободно-поршневой компрессор;
СПДК - свободно-поршневой дизель-компрессор.
         Встречются и другие названия/

     Эти типы установок начали исследоваться с 20-х годов прошлого столетия. Наиболее активный участок теоретических, практических и экспериментальных работ пришелся на конец 30-х - начало 60-х годов. В них отметились своими успехами Франция, Германия, Англия, Советский Союз.
     Создавались установки для тепловозов, кораблей, автомобилей, электростанций и даже предлагались проекты для самолетов и вертолетов.  В тот период на достигнутом техническом уровне не удалось решить часть проблем, которые высветила практика. Сегодня с быстрым развитием управляющей электроники шансы на получение эффективных и совершенных конструкций резко возросли и мы уже наблюдаем оживление интереса к возможностям этого типа установок на новом техническом уровне.

    Предлагается представлять и обсуждать свои новые взгляды, свои находки и конструктивные решения на пользу тем, кто задумает воплотить эти решения в работающих конструкциях.

     "Новое - хорошо забытое старое" здесь тоже уместно, потому что одна из целей нашего общения - пополнение знаний и развитие конструкторской логики при создании сложных систем.

      
      Желаю успехов всем участникам.    

 

[JohnDoe]

Последнее время заметен возросший интерес к силовым установкам, содержащим агрегаты, работающие по принципу свободных поршней, [highlight]непосредственно передающих механическую работу потребителю[/highlight].

Выделенная фраза неверна, ИМХУ, т.к. наоборот, непосредственной передачи мех.энергии потребителю в СПГГ и пр. нет, по меньшей мере в двигательных установках. Поршня лишь обеспечивают условия для процесса горения. "Носителем энергии" является генерируемый газ, который срабатывается на турбине или другом устойстве. Непосредственная передача имеет место лишь в компрессорах.
В файловом архиве форума мной выложенна книга по СПГГ "Силовые установки со СПГГ. Елистратов, Колюко, Томилин". Есть ещё пара диссеров и авторефератов посвящённых теме создания линейных эл.генераторов на основе СПГГ(найду, выложу). В них также можно сказать происходит прямое преобразование энергии горения топлива/движения поршней в электрическую. Это одно из наиболее перспективных направлений, ИМХУ. Т.к. линейный генератор, как и всякая другая электрическая машина, обратим. Т.е. может выполнять функции как генератора, так и двигателя(в данном случае - линейного). Это позволяет избавиться от основных недостатков СПГГ - трудности регулирования мощности и запуска.
Ну и наконец, "кто о чём, а вшивый о бане" - на основе известной Вам моей идеи получается замечательный СПГГ, а уж линейный генератор спасает её от кучи проблемм, а КПД обещает быть мегакрутым 😉

 

[Владимир Александрович]

Поршня лишь обеспечивают условия для процесса горения. "Носителем энергии" является генерируемый газ, который срабатывается на турбине или другом устойстве. 

    Вячеслав!
    Методологически следует различать внутренних и внешних потребителей энергии. Когда мы говорим об особенностях СПГГ, то подчеркиваем его главное отличие - в нем отсутствует КШМ, т.е. энергия поступательного движения поршня не преобразуется в энергию вращательного движения и далее обратно из вращательного движения в поступательное движение внутреннего потребителя (поршня компрессора, плунжера, сердечника). Указанные внутренние потребители сразу напрямую получают эту энергию от поршня и производят свою функционалную работу. КШМ для этих целей оказывается лишним. Внутренний потребитель по балансу работ должен полностью поглощать энергию, развиваемую поршнем на рабочем ходе. А вот энергия газов покидающих СПГГ и создает ту избыточную полезную мощность, которая и потребляется внешним потребителем, создающим внешнюю полезную (газовую) мощность, например на турбине или в расширительной машине.   

В них также можно сказать происходит прямое преобразование энергии горения топлива/движения поршней в электрическую. 

     Вот и здесь возвратно-поступательно двигающийся сердечник - прямой внутренний потребитель и сразу один из основных элементов создания электрической мощности для внешнего потребителя. Отличие в том, что здесь энергия рабочего цилиндра не тратится на наддув от компрессорных поршней. Хотя может быть и такой комбинированный вариант.
   

 

[А.Г.К]

Химики на базе СПГГ создают импульсные химические реакторы. Тема интересная и достаточно сложная. 2-х тактный двигатель, основа СПГГ, отличается простотой конструкции и крайне сложной газодинамикой. "Вырожденный" случай СПГГ ствольные артиллерийские системы и стрелковое оружие. Вообщем работы не початый край.

 

[Владимир Александрович]

Химики на базе СПГГ создают импульсные химические реакторы. 

        Алексей Геннадьевич, камеру сгорания и СПГГ, и обычного двигателя иногда называют реактором. Химики, наверное схигают там что-нибудь другое?

       Возвращаясь к теме важно сказать, что существует много разных схем СПГГ (здесь и далее имеем ввиду все названия установок)
        Чаще других реализовывалась схема с внутренними компрессорными полостями Б и наружными буферными С. Из компрессорных полостей Б сжатый воздух нагнетался в рессиверную полость Д. Далее через впускные окна он попадал в рабочий цилиндр А и после цикла расширения устремлялся в выхлопные окна и выпускной газовод. Компрессорная полость Б имела впускные 4 и нагнетательные 3 автоматические клапаны. Движение ступенчатых поршней 1 синхронизировалось реечным механизмом 2.

        Полезно рассмотреть преимущества и недостатки этой схемы.
   

 

[JohnDoe]

Полезно рассмотреть преимущества и недостатки этой схемы.

Из недостатков: наличие реечного механизма - требуется смазка, доп.мех.потери; в буферных ёмкостях "Б" могут возникать разные по величине давления из-за разности износа уплотнений или огрехов изготовления, например; то же относится и к компрессорным ёмкостям "С"(при этом возникают разные по величине нагрузки на рейки/шестерню); Этого можно избежать, если соединить буферные ёмкости "Б" соединительным каналом, то же касается и компрессорных ёмкостей "С", при этом наргузки на реечный механизм минимальны, а в некоторых случаях от него можно вообще отказаться(тогда будет "честный" свободно-поршневик).
Из достоинств:
Наличие... реечного механизма! 😉 Т.к. если вместе с вышеприведёнными изменениями посадить на шестерню электрогенератор. то получим компактный и мощный генераторный агрегат импульсного тока с приличным суммарным двигатель-электрическим КПД. Плюс можно будет запускаться от генератора(это ж обратимая эл.машина). В некоторых случаях можно отказаться от буферных ёмкостей "С" - на обратном ходе(сжатие) использовать генератор как эл.двигатель, современная электроника такие кульбиты вполне обеспечит. Хоть завтра. Заодно решиться проблемма работы СПГГ на малых нагрузках. Или снабдив шестерню/генератор спиральной пружиной(как в эл.будильнике "Слава" 😉)
ИМХУ. 🙂

 

[А.Г.К]

камеру сгорания и СПГГ, и обычного двигателя иногда называют реактором

Оно так и есть. По своей сути ДВС является импульсным термохимическим реактором. И по этому. Если хочешь получить хорошие рабочие параметры и "экологию" занимайся химией горения. Например надо изучать теорию цепных химических реакций Зельдовича.

 

[А.Г.К]

наличие реечного механизма - требуется смазка, доп.мех.потери; в буферных ёмкостях "Б" могут возникать разные по величине давления из-за разности износа уплотнений или огрехов изготовления

Реечный механизм как раз и устраняет разность скоростей движения. Кроме реечного существует ведь и рычажный. Вариантов много, вот кто это только будет делать, особенно в нашей "либероидной" стране. Тут, дай Бог, окончательно не скатиться к каменным топорам. Государству инновационная деятельность по боку, а у частников задача иная, они делают деньги. Вообщем частника понять можно, нафига ему заморочки. Мы даже не в капитализме, мы в феодализме. Сделали эдакое сальто-мортале, назад прогнувшись, перед Западом. Перелетели капитализм и приземлились в феодализме, да не удачно, мордой об асфальт, только сопли кровавые полетели. Всё это лирика.

 

[Владимир Александрович]

      Для двух узлов СПГГ, работающих в противофазе, наличие синхронизирующего механизма – техническая необходимость. Реечный более компактен и технологичен, чем рычажный.
      Уравнительные трубы для буферных полостей применяются. Они же часто служат для подачи пускового воздуха в буферные полости при запуске.
       Уравнительные трубы для компрессорных полостей предусматривать не нужно, т.к. выравнивающим элементом является сам ресивер. В период соединения его объема с компрессорными полостями при открытых нагнетательных клапанах, давление в противолежащих компрессорных полостях выравнивается.

      Главное преимущество СПГГ с внутренними компрессорными полостями (наиболее известен серийный СПГГ -  GS-34) – относительная конструктивная простота.
Кроме того:
- схема имеет минимальное количество поверхностей трения;
- для подпитки и режимного изменения начального давления в буферных полостях достаточно давления воздуха, достигаемого в ресиверном объеме, т.е. не требуется дополнительный компрессор.
      Среди основных недостатков:
- повышенная потребная цикловая работа буферных полостей, т.к. ее должно хватать для цикла сжатия в компрессорных полостях и в рабочем цилиндре одновременно;
- из-за несовпадения фаз сжатия в компрессорных полостях с фазой продувки рабочего цилиндра, неизбежно нагнетание сжатого воздуха в ресивер замкнутого объема, что приводит к повышенным потерям внутренней энергии и дополнительному расходу топлива. Уровень потерь зависит от относительного объема ресивера.

      Существуют схемы СПГГ с внешними компрессорными полостями. Они могут быть совмещены или разделены с буферной полостью.
      В совмещенном варианте получаются очень большие диаметральные габариты СПГГ и высокое конечное давление на буферном участке, т.к. только на части рабочего хода накапливается энергия для обратного движения блока поршней. Другая (начальная) часть хода реализует компрессорную функцию.
      В раздельном варианте появляется дополнительные внешние цилиндры с поршнями, играющие роль буферов повышенного начального давления. Для их подпитки и регулирования уже требуется дополнительный компрессор. Схема существенно усложняется. У фирмы Зульцер был СПГГ, где буферы повышенного давления преобразовывались в дополнительные рабочие цилиндры со своими камерами сгорания и форсунками. Агрегат становился еще более сложным. Пропуски вспышек во внешних цилиндрах могли создавать высокие нагрузки на синхронизирующий механизм.
      Если компрессорные полости организованы по обе стороны компрессорного поршня их потребный диаметр снижается в 1,4 раза. СПГГ получается ужатым по диаметру, но удлиненным в продольном направлении, что не всегда приемлемо.

      О том, как можно сгладить некоторые недостатки перечисленных схем, в следующем сообщении.

 

[А.Г.К]

Владимир Александрович, информация интересная. Вам не попадалась информация о СПГГ с искровым зажиганием.

 

[Владимир Александрович]

Вам не попадалась информация о СПГГ с искровым зажиганием. 

       Такая информация у меня была в бумажном виде как Отчет (примерно1988г) об испытаниях болгарского малоразмерного неуравновешенного СПГГ. Да вот беда, после переезда не могу найти в своем архиве. Позже я о нем раскажу по памяти.

О том, как можно сгладить некоторые недостатки перечисленных схем, в следующем сообщении.

Продолжение:
______________________________________________________________________

Многие недостатки описанных схем СПГГ можно устранить или сгладить, если использовать изобретение, суть которого изображена на рисунке внизу. В нем реализуется прямоточное (последовательное) движение потока воздуха к рабочему цилиндру.
     В этой схеме ресивер отсутствует. Он не нужен. При прямом ходе поршней рабочего цилиндра воздух засасывается в компрессорную полость Б через всасывающие клапаны 3. При обратном ходе поршней воздух в полости Б сжимается и через нагнетательные клапаны 4 попадает в буферно-компрессорную полость С.
      При следующем прямом ходе поршней воздух в полости С сжимается и вблизи положения поршней в НМТ через впускные клапаны (или окна) рабочего цилиндра продувает и заполняет его. С началом обратного движения поршней продувочные клапаны (или окна) закрываются, а оставшейся работы буферно-компрессорной полости С достаточно для приведения блока поршней в ВМТ, воспламенения и начала прямого движения поршней в новом цикле.
     Компрессорная полость Б в этой схеме является первой ступенью сжатия. Полость С - второй.
     Разделение давления наддува на две ступени сжатия повышает объемный КПД полости Б, уменьшает рабочую температуру автоматических нагнетательных клапанов, устраняет необходимость в регулировании буферных полостей по режимам работы СПГГ. Разделение работы сжатия воздуха на две ступени (слева и справа от поршня) уменьшает, также, потребную работу буферной полости для обеспечения обратного хода, что является очень существенным фактором.
     Регулирование давления в полости С происходит автоматически вслед за изменением производительности полостей Б. Не требуются и уравнительная труба, т.к. выравнивание давлений в полости С происходит в период открытия продувочных клапанов в рабочем цилиндре.
    Для управления работой СПГГ, кроме управления расходом топлива, достаточно одним из известных способов регулировать производительность компрессорных полостей Б. Самый неэкономичный из них – дросселирование на входе (как в ДВС с КШМ). Самый экономичный - изменение мертвого пространства в каждой полости Б.

     В таком виде СПГГ уравновешенных симметричных схем получаются наиболее простыми и с хорошими удельно массовыми параметрами.

 

[georgii-2]

Писал как-то, в теме "Делаю биратативнай...?", что пытался в детстве с другом слепить
вертолёт с реактивными лопастями. Источником газа выбрали СПГГ расположенный на роторе. Наивно конечно,
но и сегодня интересно, было что-то стоящее в той схеме? Питание хотели впрыскивать постоянно,
близко к камере сгорания впрыском от бачка от паяльной лампы 🙂. Запуск от свечи,
потом работа от компрессии - нахальные были 🙂. Хотели слепить всё на базе деталей от мопеда.
Хотели ещё добиться, чтобы ход поршня был намного меньше диаметра, т.е. петлевая продувка
фактически была бы как продольная.
Так сказать информация к размышлению...

 

[Владимир Александрович]

пытался в детстве с другом слепить вертолёт с реактивными лопастями. Источником газа выбрали СПГГ на роторе.

        В начле 90-х я потратил достаточно много сил и времени, чтобы с научной точки зрения доказать в МАИ  наиболее высокую эффективность такой силовой установки с СПГГ при ее использовании в ранцевых (индивидуальных) вертолетах.
        Так что Ваши юношеские творческие порывы били в точку.
        Для полноразмерных вертолетов эта схема проигрывает. Небольшие преимущества проявляются при полетах продолжительностью до 2-х часов.

 

[georgii-2]

Там ещё запасец есть для дожигания топлива. Без натурных движков неизвестно пока, что он даст.

 

[Владимир Александрович]

Там ещё запасец есть для дожигания топлива. Без натурных движков неизвестно пока, что он даст. 

       Верно, можно дожигать и форсировать тягу концевых сопел. И это все считается, но энергетическая эффективность дожигания из-за малых давлений низкая. Присутствие "кометного хвоста" пламени по концам лопастей недопустимо, да и шум будет невыносим. В малоразмерном аппарате делать дожигание нет никакого смысла. Вполне хватает штатной мощности СПГГ и газа с умеренными параметрами на выходе.

 

[georgii-2]

Тогда, думалось поставить свечу накаливания перед входом в лопасть в выхлопную трубу для дожигания. Да и для обычного применения такая схема СПГГ гораздо компактнее и легче, а главное, как тогда думалось, она позволит здорово увеличить количество тактов в минуту за счёт облегчения поршней.
Кроме того, в этой схеме СПГГ частично работает как поршневой компрессор, т.е. общее давление должно быть вроде выше чем по обычной схеме.
Но это, конечно, были всё мои предположения...

 

[Владимир Александрович]

Тогда, думалось поставить свечу накаливания перед входом в лопасть в выхлопную трубу для дожигания. 

      Температура газов на выхлопе СПГГ итак достигает 500 градусов С. Это требует специального проектирования лонжерона лопасти и подбора материала для канала.
       Дожигание топлива, попадающего в выхлопной канал при продувке карбюрированным потоком могло бы быть только на конце лопасти.

 

[georgii-2]

Эт, сейчас понятно. Вы бы со смеху упали какие мы тогда лопасти  задумывали  ;D.

 

[JohnDoe]

Владимир Александрович, информация интересная. Вам не попадалась информация о СПГГ с искровым зажиганием. 

А в книжке из Ответа #1 разве их нет?

Температура газов на выхлопе СПГГ итак достигает 500 градусов С. Это требует специального проектирования лонжерона лопасти и подбора материала для канала.

Эжектор+атм.воздух снизят Т газов и увеличат тягу. Канал потребуется "толще".

 

[А.Г.К]

      Температура газов на выхлопе СПГГ итак достигает 500 градусов С. Это требует специального проектирования лонжерона лопасти и подбора материала для канала.

У меня где-то валяется, в бумажном виде, информация о реактивном приводе лопастей. В настоящее время вопрос о теплоизоляции лонжерона решается. Существуют покрытия типа "Термалкоат", "Изоллат" и им подобные. На Украине отработаны конструкции центробежных реактивных турбин типа "колеса Герона". СПГГ, в принципе, должен работать на синтетическом смесевом топливе на основе КАС и этилового спирта. Температура продуктов сгорания будет умеренной что позволит снизить требования к материалу турбины и обойтись простой аустенитной сталью, то бишь нержавейкой. По позже нарисую схему такой установки. Владимир Александрович, в предложенной Вами схеме можно попытаться реализовать золотниковое гильзовое газораспределение.
Наверное я просмотрел информацию о искровом зажигании в книге.