RU2211932C1

RU2211932C1 - Reciprocating-action plant

Info

Publication number: RU2211932C1
Application number: RU2002102501A
Authority: RU
Inventors: Р.В. Давыдов
Original assignee: Давыдов Радий Викторович
Priority date: 2002-02-01
Filing date: 2002-02-01
Publication date: 2003-09-10

Abstract

FIELD: power engineering. SUBSTANCE: proposed power plant contains heat piston engine, generator, fuel air mixture heat content automatic control system, and crank gear with flywheel. Automatic control system employs voltage-amplitude sensor as sensing element maintaining constant set value of voltage. EFFECT: improved efficiency of power plant. 1 dwg

Description

Изобретение относится к производству электроэнергии посредством однофазного возвратно-поступательного генератора и теплового поршневого двигателя, например, внутреннего сгорания (ДВС). Предлагаемая электростанция предназначена преимущественно для питания тепловых и осветительных электроприборов. The invention relates to the production of electricity through a single-phase reciprocating generator and a thermal reciprocating engine, for example, internal combustion engine (ICE). The proposed power plant is intended primarily for powering thermal and lighting electrical appliances.

В настоящее время практически вся электроэнергия производится в 3-фазной форме на центральных электростанциях (ЦЭС) посредством турбогенераторов. Однако большая часть электроэнергии используется в однофазной форме для питания нагревательных и осветительных приборов. В однофазной форме электроэнергию целесообразно производить посредством возвратно-поступательного генератора и поршневого двигателя на небольшой электростанции, расположенной вблизи потребителя, что существенно повысит КПД. Однофазную электростанцию возвратно-поступательного движения обозначим ОЭ, генератора, электрическую машину возвратно-поступательного движения ВПЭМ, в отличие от ротационной электрической машины, РЭМ. Currently, almost all electricity is produced in 3-phase form at central power plants (CES) through turbine generators. However, most of the electricity is used in single-phase form to power heating and lighting devices. In a single-phase form, it is advisable to produce electricity through a reciprocating generator and a reciprocating engine in a small power plant located near the consumer, which will significantly increase efficiency. A single-phase reciprocating power plant is denoted by an OE, a generator, a VPEM electric reciprocating machine, in contrast to a rotary electric machine, a SEM.

Электростанции возвратно-поступательного движения, содержащие тепловой поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС), генератор и систему автоматического регулирования теплосодержания топливовоздушной смеси известны (прототип: электростанция по а.с. СССР 1455010, кл. F 02 В 71/00, приоритет 1987). В известной возвратно-поступательной электростанции ДВС функционирует по двухтактному термодинамическому циклу без маховика, а следовательно, без преобразования возвратно-поступательного движения поршня в однонаправленное вращение. Отказ от 4-тактного традиционного ДВС с неизбежным маховиком не упрощает, а усложняет конструкцию возвратно-поступательной электростанции, т. к. требует дополнительных устройств для приготовления топливовоздушной смеси вне цилиндра поршневого комплекта, например, таких как в европейском патенте 0828928 В1, кл. F 02 B 71/04, 1995 г. Изобретатель Kvamsdal, Rolf (Норвегия). Поэтому в ОЭ имеется дополнительный кривошипно-шатунный механизм (КШМ), что позволяет использовать, как 2-, так и 4-тактный ДВС. Кривошипный вал дополнительного КШМ ОЭ работает с маховиком практически вхолостую, нагруженный только механизмами газораспределения ДВС. Скорость вращения кривошипного вала подстраивается под нагрузку генератора (ВПЭМ) ОЭ. Reciprocating power plants containing a thermal reciprocating internal combustion engine (ICE), a generator, and a system for automatically controlling the heat content of the air-fuel mixture are known (prototype: power plant according to the USSR AS 1455010, class F 02 B 71/00, priority 1987). In a well-known reciprocating power plant, the internal combustion engine operates in a two-stroke thermodynamic cycle without a flywheel, and therefore, without converting the reciprocating motion of the piston into unidirectional rotation. The rejection of a 4-stroke traditional internal combustion engine with an inevitable flywheel does not simplify, but complicates the design of a reciprocating power station, because it requires additional devices for preparing the air-fuel mixture outside the piston kit cylinder, for example, such as in European patent 0828928 B1, cl. F 02 B 71/04, 1995. Inventor of Kvamsdal, Rolf (Norway). Therefore, in the OE there is an additional crank mechanism (KShM), which allows the use of both 2- and 4-stroke ICEs. The crank shaft of the additional KShM OE works with the flywheel almost idle, loaded only with the gas distribution mechanisms of the internal combustion engine. The speed of rotation of the crank shaft adjusts to the load of the generator (VPEM) OE.

Генератор ОЭ описан, например, во французском патенте 2542810, кл. F 02 В 75/28, 1982. Магнитопровод генератора этого патента выполнен с двумя парами одинаковых неподвижных противопоставленных параллельных П-образных частей. Торцы пары П-частей лежат в одной плоскости и на каждой П-части пары установлена частичная катушка силовой обмотки переменного тока, а на паре П-частей катушка постоянного тока возбуждения. Ниже плоскости торцов перпендикулярно торцам на штоке установлен магнитопроводный прямоугольный плоский индуктор, составной или цельный. Расстояние между внешними гранями индуктора равно сумме ширины торца П-части и расстояния между П-частями пары. Частичные силовые обмотки соединены согласно в единую силовую обмотку генератора, а индуктор укреплен на штоке, установленном подвижно на опорных плоскостях, соединенных с фундаментом. The OE generator is described, for example, in French patent 2542810, cl. F 02 B 75/28, 1982. The magnetic circuit of the generator of this patent is made with two pairs of identical stationary opposed parallel U-shaped parts. The ends of the pair of P-parts lie in one plane and on each P-part of the pair there is a partial coil of the AC power winding, and a pair of P-parts has a DC excitation coil. Below the end plane, perpendicular to the ends, a magnetically conductive rectangular flat inductor, composite or solid, is installed on the rod. The distance between the outer edges of the inductor is equal to the sum of the width of the end of the P-part and the distance between the P-parts of the pair. Partial power windings are connected according to a single power winding of the generator, and the inductor is mounted on a rod mounted movably on supporting planes connected to the foundation.

Мощность тепло- и световыделения тепловых и осветительных электроприборов пропорциональна эффективному значению напряжения (см. любой печатный курс теоретической электротехники, раздел "переменный ток"). Связь между мощностью и эффективным напряжением определяется выражением

где Р - мощность, U - эффективное напряжение, U_a - амплитудное напряжение, R - сопротивление.The power of heat and light emission of thermal and lighting electrical appliances is proportional to the effective value of the voltage (see any printed course in theoretical electrical engineering, section "alternating current"). The relationship between power and effective voltage is determined by the expression

where P is the power, U is the effective voltage, U _a is the amplitude voltage, R is the resistance.

Вследствие инерционности восприятия тепла и света тепловых и осветительных электроприборов изменение частоты напряжения, превышающей 5-7 Гц, несущественно для человека. Поэтому поддержание в ОЭ неизменного амплитудного значения напряжения, близкого к синусоидальному, которому пропорционально эффективное значение, означало бы, что тепло- или световыделение электроприбора соответствует его номинальной мощности. Due to the inertia of the perception of heat and light from thermal and lighting electrical appliances, a change in the frequency of a voltage exceeding 5-7 Hz is insignificant for a person. Therefore, maintaining a constant amplitude value of the voltage close to sinusoidal in the OE, which is proportionally effective, would mean that the heat or light emission of the electrical appliance corresponds to its rated power.

Известные однофазные электростанции вне зависимости от воли изготовителя предназначены преимущественно для питания тепловых и осветитительных электроприборов и потому эти электростанции не нуждаются в регуляторе частоты или скорости, однако непременно им снабжаются. Well-known single-phase power plants, regardless of the will of the manufacturer, are intended primarily for powering thermal and lighting electrical appliances and therefore these power plants do not need a frequency or speed controller, but they are certainly supplied with them.

Существо изобретения состоит в том, что электростанция возвратно-поступательного движения с однофазным генератором содержит систему автоматического регулирования, снабженную датчиком амплитудного значения напряжения, воздействующую на расход топлива поршневого двигателя привода генератора в направлении поддержания заданного значения амплитудного напряжения. Отказ от регулятора частоты (или скорости) существенно упрощает систему регулирования. The essence of the invention lies in the fact that the reciprocating power plant with a single-phase generator contains an automatic control system equipped with a voltage amplitude value sensor that affects the fuel consumption of the piston engine of the generator drive in the direction of maintaining the set value of the amplitude voltage. Failure to control the frequency (or speed) controller greatly simplifies the control system.

На фиг.1 изображена предлагаемая электростанция в одном из вариантов исполнения (без системы регулирования). ВПЭМ подставлена в упрощенной фронтальной проекции. На фиг.2 показана блок-схема варианта системы автоматического поддержания заданного амплитудного напряжения с приводом ВПЭМ посредством ДВС. Figure 1 shows the proposed power plant in one of the options for execution (without regulation system). VPEM is substituted in a simplified frontal projection. Figure 2 shows a block diagram of a variant of a system for automatically maintaining a given amplitude voltage with a VPEM drive by means of an internal combustion engine.

В ОЭ (фиг.1) магнитопровод генератора (ВПЭМ) состоит из двух одинаковых половин и подвижной части - индуктора. На фиг.1 пронумерованы лишь детали половины неподвижного магнитопровода, необходимые для понимания принципа действия. In OE (figure 1), the magnetic circuit of the generator (VPEM) consists of two identical halves and a movable part - an inductor. In Fig. 1, only details of half of the fixed magnetic circuit are numbered, necessary for understanding the principle of operation.

Генератор снабжен двумя парами одинаковых неподвижных противопоставленных параллельных П-образных частей 1 и 2 магнитопровода. Торцы каждой пары П-частей лежат в одной плоскости и на каждой П-части установлена частичная катушка 3 или 4 обмотки переменного силового тока, а на паре П-частей - катушка 5 обмотки постоянного тока возбуждения. Между П-частями ниже плоскости торцов перпендикулярно расположен магнитпроводный подвижный индуктор, состоящий из частей 6 и 7. Индуктор выполнен плоским, прямоугольным. Расстояние между внешними гранями индуктора равно сумме ширины торца П-части и расстояния между П-частями пары. Частичные катушки силовой обмотки соединены согласно в единую силовую обмотку генератора, а индуктор укреплен на штоке 8, установленном подвижно на опорных плоскостях 9, 10, соединенных с фундаментом. Внешние электрические цепи на фиг.1 не показаны. При рассмотрении фиг. 1 надо учитывать, что угол между штоком 8 и плоскостью чертежа равен 90^o. ВПЭМ униполярна. Именно униполярностью обусловлена простота силовой обмотки.The generator is equipped with two pairs of identical stationary opposed parallel U-shaped parts 1 and 2 of the magnetic circuit. The ends of each pair of P-parts lie in the same plane and on each P-part a partial coil 3 or 4 of an alternating current winding is installed, and on a pair of P-parts there is a coil 5 of a direct current winding. Between the P-parts below the plane of the ends, a magnetically conductive movable inductor is arranged perpendicularly, consisting of parts 6 and 7. The inductor is made flat, rectangular. The distance between the outer faces of the inductor is equal to the sum of the width of the end of the P-part and the distance between the P-parts of the pair. Partial coils of the power winding are connected according to a single power winding of the generator, and the inductor is mounted on a rod 8 mounted movably on the supporting planes 9, 10 connected to the foundation. External electrical circuits in figure 1 are not shown. When considering FIG. 1 it must be borne in mind that the angle between the rod 8 and the plane of the drawing is 90 ^o . VPEM is unipolar. It is unipolarity that determines the simplicity of the power winding.

На фиг.1 представлены четыре поршневых комплекта 11÷14 ДВС, необходимых для осуществления симметричного четырехтактного термодинамического цикла, Отто или Дизеля. Комплекты составляют две поршневые группы с противофазными поршнями - нечетную 11, 13 и четную 12, 14. Figure 1 presents four piston sets 11 ÷ 14 ICE required for the implementation of a symmetrical four-cycle thermodynamic cycle, Otto or Diesel. Kits comprise two piston groups with antiphase pistons - odd 11, 13 and even 12, 14.

Поршни соединены непосредственно со штоком 8 и шарнирно - с шатуном 15 дополнительного КШМ, шарнирно соединенным с головкой кривошипа 16 кривошипного вала 17, на котором установлен маховик 18. The pistons are connected directly to the rod 8 and pivotally to the connecting rod 15 of the additional crank, pivotally connected to the head of the crank 16 of the crank shaft 17, on which the flywheel 18 is mounted.

Основным назначением КШМ является перевод поршня через "мертвые" точки при 4-тактном термодинамическом цикле и обеспечение синусоидальности ЭДС генератора, необходимой для полного расширения, а также в аварийных режимах предотвращает удары индуктора. Кроме того, дополнительный КШМ посредством распределительного вала движет механизмы газораспределения ДВС. На фиг.1 не показаны системы собственных нужд, традиционные для ДВС. The main purpose of the CABG is to transfer the piston through the “dead spots” during a 4-cycle thermodynamic cycle and to ensure the sinusoidality of the EMF of the generator, which is necessary for full expansion, and also in emergency operation prevents shock of the inductor. In addition, an additional crankshaft through the camshaft drives the engine timing. Figure 1 does not show auxiliary systems traditional for internal combustion engines.

Пускают ДВС как обычно, стартером. При движении индуктора в активных проводниках частичных катушек силовой обмотки ВПЭМ наводятся ЭД силы движения. (Активные проводники - это части витков частичных катушек, находящиеся между П-частями). Соединение частичных катушек названо согласным потому, что ЭД силы, наводимые в катушках при движении индуктора 6, 7, суммируются. Start the engine as usual, with a starter. When the inductor moves in the active conductors of the partial coils of the VPEM power winding, the driving force ED are induced. (Active conductors are parts of the turns of partial coils located between the P-parts). The connection of partial coils is called consonant because the ED forces induced in the coils when the inductor 6, 7 moves are summed.

Действие электрической машины, как генератора, так и двигателя, основано на индуктировании в силовой обмотке машины электродвижущей силы (ЭДС). Существует два представления о процессе индуктирования ЭДС. Первое - фарадеевское представление о пересечении движущимся проводником невидимых, но реальных силовых линий магнитного поля и второе представление - чисто формальное, основанное на положениях электродинамики Максвелла: ЭДС является следствием изменения потока магнитной индукции, пронизывающего виток, в котором измеряется ЭДС. (Сам Максвелл говорил о том, что его математические выводы основаны на представлении Фарадея). В данном случае этим двум физическим положениям соответствуют выражения:
е = с(В_)vl, [1];

где с - постоянная; е - электродвижущая сила (ЭДС); (В_) - в данном случае магнитная индукция постоянного поля возбуждения; v - скорость проводника в направлении, перпендикулярном вектору магнитной индукции; l - длина проводника; Ф_~ - в данном случае поток магниой индукции переменного магнитногол поля, вызванного током частичной силовой обмотки, Ф_~ = (B_~)S, S - площадь витка обмотки, в которой измеряется ЭДС; t - время.The action of an electric machine, both a generator and an engine, is based on the induction in the power winding of an electromotive force (EMF) machine. There are two ideas about the process of induction of EMF. The first is the Faraday concept of a moving conductor crossing an invisible but real magnetic field, and the second is a purely formal one based on Maxwell’s electrodynamics: EMF is the result of a change in the flux of magnetic induction penetrating the coil in which the EMF is measured. (Maxwell himself said that his mathematical conclusions are based on Faraday's view). In this case, these two physical positions correspond to the expression:
e = c (B_) vl, [1];

where c is a constant; e - electromotive force (EMF); (B_) - in this case, the magnetic induction of a constant field of excitation; v is the speed of the conductor in the direction perpendicular to the magnetic induction vector; l is the length of the conductor; Ф _~ - in this case, the flux of magnesium induction of an alternating magnetic field caused by the current of a partial power winding, Ф _~ = (B _~ ) S, S is the area of the winding winding in which the emf is measured; t is time.

ЭДС, определенную по первому выражению, можно назвать ЭДС движения, т.к. по этому выражению индуктирование происходит вследствие движения проводника относительно силовых линий магнитного поля (или наоборот). ЭДС, определяемую по второму выражению, можно назвать ЭДС трансформации или ЭДС взаимоиндукции. В отношении числового результата определения ЭДС выражения [1] и [2] эквивалентны, т.к. математическими подстановками можно преобразовать одно в другое. Так как конец одной частичной катушки соединен с началом другой, т. е. согласно, то направления тока в катушках следует считать противоположными, а следовательно, должны отличаться знаки переменных потоков магнитных индукций в соответствующих П-частях, входящих в выражение [2], тогда как начала и концы активных сторон частичных катушек ориентированы относительно магнитного поля возбуждения единообразно. Таким образом, для частичных катушек, знаки магнитной индукции выражения [1] при ее изменении в пространстве одинаковы, а знаки магнитной индукции выражения [2] ее временного изменения противоположны. Эта реальность означает, что ЭД силы, обусловленные движением поля возбуждения относительно активных проводников частичных катушек, суммируются, а ЭД силы, обусловленные переменным силовым током, являющиеся для катушки 5 возбуждения ЭД силами трансформации, а для частичных катушек силовой обмотки ЭД силами взаимоиндукции, вычитаются и их результирующее значение равно нулю. EMF, determined by the first expression, can be called EMF movement, because according to this expression, induction occurs due to the motion of the conductor relative to the magnetic field lines (or vice versa). EMF, determined by the second expression, can be called EMF transformation or EMF mutual induction. With respect to the numerical result of determining the EMF, the expressions [1] and [2] are equivalent, because mathematical substitutions can transform one into another. Since the end of one partial coil is connected to the beginning of the other, that is, according to, the directions of the current in the coils should be considered opposite, and therefore, the signs of the variable fluxes of magnetic inductions in the corresponding P-parts included in the expression should differ [2], then how the beginnings and ends of the active sides of the partial coils are oriented uniformly with respect to the magnetic field of the excitation. Thus, for partial coils, the signs of magnetic induction of expression [1] are the same when it changes in space, and the signs of magnetic induction of expression [2] of its temporary change are opposite. This reality means that the ED forces caused by the movement of the field of excitation relative to the active conductors of the partial coils are summed up, and the ED forces caused by alternating power current, which are the transformation forces for the ED excitation coil 5, and the mutual induction forces for the partial coils of the power winding, are subtracted and their resulting value is zero.

Поэтому, хотя в частях магнитопровода ВПЭМ магнитное поле переменного силового тока занимает тот же объем, что и магнитное поле постоянного тока возбуждения, ЭДС взаимоиндукции силовой обмотки ВПЭМ, беспазовой подобно обмоткам трансформатора, и, соответственно, ее индуктивное сопротивление будет меньше, чем обмотки равной мощности РЭМ. Therefore, although in the parts of the VPEM magnetic circuit, the magnetic field of the alternating power current occupies the same volume as the magnetic field of the direct current excitation, the EMF of the mutual induction of the VPEM power winding is no-phase like transformer windings, and, accordingly, its inductive resistance will be less than the windings of equal power SEM.

Действие системы регулирования поясняет блок-схема на фиг.2. Теплосодержанием топливовоздушной смеси в карбюраторном ДВС управляет воздушная заслонка топливной системы, а в дизельном ДВС - плунжер топливного насоса. Чувствительным элементом системы автоматического регулирования является датчик амплитудного значения напряжения, а привод исполнительного органа, управляющего теплосодержащем топливовоздушной смеси, может осуществляться реверсивным шаговым электродвигателем. Структура системы автоматического регулирования, применяемой в ОЭ, является типовой. The action of the control system is illustrated in the block diagram of figure 2. The heat content of the air-fuel mixture in the carburetor ICE is controlled by the air damper of the fuel system, and in the diesel ICE - the plunger of the fuel pump. The sensitive element of the automatic control system is a voltage amplitude value sensor, and the actuator that controls the heat-containing air-fuel mixture can be driven by a reversible stepper motor. The structure of the automatic control system used in the MA is typical.

В традиционном ДВС с кривошипно-шатунным механизмом частота возвратно-поступательных ходов поршня через расход топлива подстраивается под угловую скорость кривошипного вала. В ОЭ наоборот кривошипный вал дополнительного КШМ, вращающийся с маховиком практически вхолостую, подстраивается под частоту возвратно-поступательных ходов индуктора, задаваемую электрической нагрузкой генератора. In a traditional ICE with a crank mechanism, the frequency of the reciprocating piston strokes through the fuel consumption is adjusted to the angular velocity of the crank shaft. In OE, on the contrary, the additional crank shaft crank shaft, rotating with the flywheel almost idle, adjusts to the frequency of the reciprocating strokes of the inductor, specified by the electric load of the generator.

В России принята частота 50 Гц. Однако для ОЭ с нагрузкой тепловыми и осветительными электроприборами целесообразно увеличить частоту до значения, достижимого современными ДВС, до 100 Гц, например. Увеличение частоты приведет к значительному уменьшению габаритных размеров и веса. In Russia, a frequency of 50 Hz is adopted. However, for OE loaded with thermal and lighting electrical appliances, it is advisable to increase the frequency to a value achievable by modern ICEs, up to 100 Hz, for example. Increasing the frequency will lead to a significant reduction in overall dimensions and weight.

Положительным качеством ОЭ будет значительно больший межремонтный период, чем передвижной ротационной электростанции с традиционным ДВС, т.к. в ОЭ дополнительный кривошипно-шатунный механизм, управляющий газораспределением, работает практически вхолостую и потому не будет эллипсоидного износа поршневых колец, ухудшающего компрессию. Надежность ОЭ будет существенно выше, а стоимость - существенно меньше вследствие лучшего использования электротехнических материалов. Но основным положительным качеством ОЭ будет полное использование доступной в термодинамическом цикле энергии топлива. The positive quality of the MA will be a significantly longer overhaul period than a mobile rotary power plant with a traditional ICE, as in the OE, the additional crank mechanism controlling the gas distribution works almost idle and therefore there will be no ellipsoidal wear of the piston rings, worsening compression. The reliability of the MA will be significantly higher, and the cost will be significantly less due to the better use of electrical materials. But the main positive quality of the MA will be the full use of the fuel energy available in the thermodynamic cycle.

Однофазная электростанция (ОЭ) предназначена преимущественно для питания нагревательных, отопительных и осветительных электроприборов. При номинальной мощности 5-6 кВт ОЭ будет легкой, небольшой, доступной частному потребителю электроэнергии. Single-phase power plant (OE) is designed primarily for powering heating, heating and lighting appliances. With a rated power of 5-6 kW, the OE will be light, small, accessible to a private consumer of electricity.

Claims

A reciprocating power plant containing a thermal piston engine, a generator and an automatic control system for the heat content of the air-fuel mixture, characterized in that it is equipped with an additional crank mechanism with a flywheel, and the automatic control system contains an amplitude voltage sensor as a sensitive element, the constancy of the set value of which she supports.