RU2537322C1

RU2537322C1 - Method of movement synchronisation of piston groups of free piston pump-compressor with common linear motor

Info

Publication number: RU2537322C1
Application number: RU2013141768/06A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Александрович Рыбаков
Original assignee: Анатолий Александрович Рыбаков
Priority date: 2013-09-10
Filing date: 2013-09-10
Publication date: 2015-01-10

Abstract

FIELD: motors and pumps.

SUBSTANCE: invention contains control system, two cylinders with distribution valves and opposite moving piston groups. Each piston group contains piston, stock and armature of the linear motor. The linear motor includes stator magnet, two magnetic cores and two magnetising coils. The piston groups are oriented such that their axes of symmetry are located at one geometrical line, and their movement is arranged opposite thus excluding vibrations due to oscillating movement. But character of pistons movement is affected also by inaccuracy of the piston groups manufacturing, nonuniformity of friction forces between friction surfaces, unpredictable movement of pump-compressor etc. To synchronise movement of the piston groups the control system monitors speeds of each piston group and compares them. If speeds of the piston groups are different, the control system switches the distribution valve, via which the work body is supplied to the header, to closed position of the cylinder in which the piston group speed is higher then speed of the opposite moving piston group in another cylinder. At the time moment ensuring simultaneous arrival of the piston groups of both cylinders in points of convergence or divergence the control system switches the distribution valve to opened position.

EFFECT: casing vibrations are excluded.

2 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY

Изобретение относится к области энергомашиностроения.The invention relates to the field of power engineering.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND

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».The closest prototype of the claimed invention "Method for synchronizing the movement of the pistons of a twin twin-cylinder free-piston power module", patent 2441993. The invention uses technical solutions according to patent 2352797 "Method of actuating a valve with the working fluid of a piston machine" and patent 2394341 "Stationary magnetization coil of an armature of a linear electric machine".

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.The energy module (patent 2441993) converts the exothermic energy of motor fuel into electricity. It consists of two expansion machines, the pistons of which are connected to the anchors of a linear electric generator, a linear electric generator, a common external combustion chamber and a control system. It acts as follows.

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.The combustion products from the combustion chamber 1 (figure 1) through the pipe 2 through the gas distribution valve 3 enter the right (according to the drawing) end cavity of the piston 4 of the left expansion machine 5, and through the pipe 6 and through the gas distribution valve 7 to the left end cavity of the piston 8 of the right expansion machine 9. Under the influence of expanding combustion products, the pistons of the expansion machines 4, 8 and the anchors of the linear generator 10, 11 connected to them begin to diverge. The anchors can be either permanent magnets or electromagnets magnetized by a magnetizing coil 12. The magnetic flux of the generator closes along the circuit — anchor 11, stator magnet 13, anchor 10 and again anchor 11. When the anchors 10, 11 diverge, their magnetic fluxes intersect, resulting in the stator magnet 13 changes the magnetic flux and, as a result, an impulse of electricity is generated in the stator coil 14. When the pistons and anchors reach the points of extreme divergence, the control system (not shown) transfers the gas distribution valves 3, 7, 15, 16 to opposite positions. Now, the combustion products from the combustion chamber 1 through the pipeline 2 and through the gas distribution valve 15 enter the left end cavity of the piston 17 of the left expansion machine 5, and through the pipe 6 and the gas distribution valve 16 enter the right end cavity of the piston 18 of the right expansion machine 9. Expansion pistons machines and the generator anchors connected to them begin to converge, and an opposite sign pulse is generated in the stator coil 14. When the pistons diverge, the exhaust combustion products are emitted into the atmosphere through the gas distribution valves 15 and 16, and when converging through the gas distribution valves 3 and 7. At the same time, through the check valves 19, 20, 21, 22 from the corresponding piston cavities of the expansion machines through 23, 24 V pipelines combustion chamber 1 is supplied with air, which provides the process of fuel combustion, and air through the check valves 25, 26, 27, 28 is drawn in from the atmosphere.

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.During the operation of a single energy module as a result of the reaction of the oscillatory movement of the pistons and the armature, vibration of the housing occurs - vibration of the first order. In addition, the nature of the movement of the pistons is affected by the inaccuracy of the manufacture of cylinders and pistons, the unpredictable movement of the engine in space, etc., which causes vibrations of the second-order housing. To neutralize first-order vibrations, single energy modules are mutually oriented so that the axis of symmetry of their pistons and anchors are located on the same geometric line, and their movement in one way or another is organized opposite.

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.The synchronization of the movement of the pistons and anchors is as follows. Suppose that the speed of the pistons and anchors of the expansion machine 5 is less than the speed of those of the expansion machine 8. The control system puts one of the gas distribution valves 7 or 16 in the opposite position. If the gas distribution valve 7 is translated, then the left piston cavity 8 and the right piston cavity 18 are connected to the atmosphere through the gas distribution valves 7 and 16, and the expansion machine 9 stops converting the energy of expanding combustion products into mechanical energy of piston movement. The speed of the pistons of the expansion machine 9 is reduced. At the time when the speed of its pistons reaches a value that ensures the simultaneous arrival of the pistons of both expansion machines at the points of convergence or divergence, the control system puts the gas control valve 7 or 16 in the opposite position. If the gas distribution valve 16 is translated into the opposite position, the combustion products enter both cavities of the pistons of the expansion machine 9, the pressure of the combustion products in them is equalized and the same thing happens as in the previous case. If the speed of the pistons of the expansion machine 9 is less than the speed of the expansion machine 5, the control system with respect to the gas distribution valves 3 and 15 acts in the reverse order.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

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.A free piston pump-compressor with opposed movement of piston groups with a common linear electric motor converts electricity into pressure energy of a liquid or gaseous working fluid. It acts as follows. The stator magnet of a linear electric motor (figure 2) consists of a left magnetic circuit 1 and a right magnetic circuit 2. Both magnetic circuits are adjacent to each other along plane 3. To start the pump-compressor, the control system (not shown in the figure) supplies electrical voltage pulses to the coils from the electric power source magnetization 4 and 5 of the opposite sign, as a result of which magnetic fluxes of the opposite direction are also induced in both magnetic circuits 1 and 2. Thus, at the junction plane of the magnetic cores 3, magnetic poles of one sign appear, and at the opposite ends of the magnetic cores 1 and 2, magnetic poles of a different sign appear. Anchors 6 and 7 of a linear electric motor, rods 8 and 9, as well as a stator magnet, are made of soft magnetic material (patent 2394341). Therefore, magnetic fluxes along the rods 8 and 9 propagate to the anchors 6 and 7 and magnetic poles of the same sign and opposite to the signs at the contact plane of the magnetic cores 3 arise in their bodies. As a result, the anchors 6 and 7 repel each other. The left (according to the figure) piston group consisting of the rod 8, the armature 6, the piston 10 of the pump compressor and the right piston group consisting of the rod 9, the armature 7, the piston 11 begin to diverge. Compressed in the left cavity of the piston 10, the working fluid through the valve 12 and compressed in the right cavity of the piston 11, the working fluid through the valve 13 (patent 2352797) is forced into the manifold 14, through which it is supplied to the consumer. At the same time, the low-pressure working fluid is sucked in through the check valves 15 and 16 into the right piston cavity 10 and the left piston cavity 11. After the piston groups have reached extreme divergence points, the control system closes valves 12 and 13 and opens the valves 17 and 18. At the same time, the control system from the electric power source It supplies electric voltage pulses to magnetization coils 4 and 5, now of the same sign, as a result of which magnetic fluxes of the same direction are induced in both magnetic circuits 1 and 2. On both sides of the adjacency plane of the magnetic cores 3, magnetic poles of opposite signs appear, and at the opposite ends of the magnetic circuits 1 and 2, that is, in the bodies of the anchors 6 and 7, magnetic poles of a different sign. Anchors 6 and 7 are attracted to each other, and the piston groups begin oncoming movement. The working fluid from the piston cavities 10 and 11 is displaced through the open valves 17 and 18 into the manifold 14. At the same time, the low-pressure working fluid is sucked through the check valves 19 and 20 into the left piston cavity 10 and the right piston cavity 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.The vibrations of the pump-compressor housing (first-order vibrations) as a result of the reaction of the oscillatory movement of the piston groups are neutralized due to the fact that the piston groups are oriented so that their axis of symmetry are located on one geometric line, and their movement in one way or another is organized in opposition. However, the inaccuracy of the manufacture of piston groups, the unevenness of the friction forces of the piston groups between the friction surfaces, the unpredictable movement of the pump-compressor in space, etc., are also influenced by the nature of the movement of the pistons, which causes second-order housing vibrations.

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.The synchronization of the movement of the piston groups to neutralize the vibrations of the second-order housing is as follows. Suppose that when the piston groups diverge, the speed of the left piston group is greater than the speed of the right piston group. The control system puts the valve 12 in the closed position, as a result of which the pressure of the working fluid in the left cavity of the piston 10 increases and the speed of the left piston group decreases. The valve 12 remains in the closed position until the control system determines the time of its opening in such a way that at the moment of arrival of the piston groups at the points of extreme divergence of their speed will be equal.

ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯOBJECT OF THE INVENTION

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.The purpose of the claimed invention is to eliminate vibrations of the pump-compressor housing due to inaccuracy in the manufacture of piston groups, uneven frictional forces of the piston groups between the friction surfaces, unpredictable movement of the pump-compressor in space and other reasons.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

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.A method for synchronizing opposing piston groups of a free piston pump compressor with a common linear electric motor that converts electricity into pressure energy of a liquid or gaseous working fluid, including a pump compressor control system, two cylinders with control valves and opposing piston groups consisting of a piston, rod and armature linear electric motor, a stator magnet consisting of two magnetic cores and two magnetization coils, characterized in that the control system The pump compressor monitors the speed values of each piston group of the pump compressor, compares their values and, if the speeds of the piston groups of the pump compressor are not equal, the control system transfers the control valve through which the working fluid is supplied to the manifold to the closed position of that cylinder where the speed of the piston group is greater than the speed of the opposing piston group in the other cylinder, and at a point in time that ensures the simultaneous arrival of the piston groups of both pump-computer cylinders essora a point of convergence or divergence, the compressor pump control system needs a control valve in the open position.

ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯTECHNICAL APPLICABILITY OF THE INVENTION

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.The costs of R&D and production of the claimed invention cannot differ significantly from those in the design and development of classical compressors. Requirements for materials and technologies do not go beyond the scope of modern capabilities.

ГРАФИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛGRAPHIC MATERIAL

Фигура 1. Принципиальная схема поршневого спаренного двухцилиндрового свободнопоршневого энергомодуля.Figure 1. Schematic diagram of a reciprocating twin twin-cylinder free-piston power module.

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.1 - combustion chamber; 2, 6, 23, 24 - pipeline; 3, 7, 15, 16 - gas distribution valve; 4, 8, 17, 18 - the piston of the expansion machine; 5, 9 - expansion machine; 10, 11 - anchor; 12 - magnetization coil of the armature; 13 - stator magnet; 14 - stator coil; 19, 20, 21, 22, 25, 26, 27, 28 - check valve.

Фигура 2. Принципиальная схема свободнопоршневого насос-компрессора.Figure 2. Schematic diagram of a free piston pump-compressor.

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.1, 2 - magnetic circuit of the stator magnet; 3 - the plane of abutment of the stator magnet cores; 4, 5 - magnetization coil; 6, 7 - an anchor of a linear electric motor; 8, 9 - stock; 10, 11 - the piston; 12, 13, 17, 18 - distribution valve; 14 - collector; 15, 16, 19, 20 - check valve.

Claims

A method for synchronizing opposing piston groups of a free piston pump compressor with a common linear electric motor that converts electricity into pressure energy of a liquid or gaseous working fluid, including two cylinders with control valves and opposing piston groups, each of which consists of a piston, rod and linear motor armature , a stator magnet consisting of two magnetic cores, two magnetization coils and a control system, characterized in that the system the control board of the pump-compressor monitors the speed values of each piston group of the pump-compressor, compares their values and, if the speeds of the piston groups of the pump-compressor are not equal, the control system transfers the control valve through which the working fluid is supplied to the manifold to the closed position of that cylinder where the speed of the piston group is greater than the speed of the opposing piston group in the other cylinder, and at a time that ensures the simultaneous arrival of the piston groups of both pump compressor to the point of convergence or divergence, the pump-compressor control system puts the control valve in the open position.