RU2814992C1

RU2814992C1 - Method for obtaining mechanical energy from action of gas pressure and piston expander for its implementation

Info

Publication number: RU2814992C1
Application number: RU2023102153A
Authority: RU
Inventors: Николай Александрович Лапушкин; Андрей Александрович Евстифеев; Анатолий Митрофанович Савенков
Filing date: 2023-01-31
Publication date: 2024-03-11

Abstract

FIELD: gas and oil and gas industries.

SUBSTANCE: invention can be used in piston expander units at integrated power plants (IPP), using differential pressure at gas distribution stations (GDS). The piston expander consists of a cylinder block, a five-bearing crankshaft, and a five-link crank mechanism. The cylinder block is divided into sections, each of which contains a horizontal cylinder with a liner with a piston and a crosshead guide. The intake piston valve drive mechanism consists of a front cam camshaft and a fork lever. The front camshaft passes through the front cylinder head. The rear camshaft passes through the rear cylinder head. The crankshaft is connected to each piston through a five-link crank mechanism. A gear train is located at one end of the five-bearing crankshaft. The method for obtaining mechanical energy from the actuation of gas pressure is characterized by supplying gas through the inlet piston valve to each cylinder of the piston expander. Within the cylinder, the piston moves from top dead centre (TDC) to bottom dead centre (BDC). When the piston moves in the cylinder until the piston reaches BDC, the inlet piston valve closes and the exhaust parts open. After which the exhaust parts close, when approaching TDC, the intake piston valve opens and the cycle of piston movement from TDC to BDC is repeated.

EFFECT: increase of efficiency of the piston expander.

4 cl, 7 dwg

Description

Изобретения относятся к газовой и нефтегазовой промышленности и могут быть использованы в поршневых детандерных установках на комплексных энергостанциях (КЭС), использующих перепад давлений на газораспределительных станциях (ГРС).The inventions relate to the gas and oil and gas industries and can be used in piston expander units at integrated power plants (IPPs), using differential pressure at gas distribution stations (GDS).

Наиболее близким аналогом заявленного поршневого детандера является свободнопоршневой детандер, включающий рабочий цилиндр с окнами для впуска и выпуска газа, размещенный внутри рабочего цилиндра поршень, разделяющий его на расширительную и компрессорную полости, регенератор и газораспределительное устройство в виде золотниковой пары, отличающийся тем, что он дополнительно содержит газожидкостный сепаратор, который снабжен центробежными завихрителями и установлен на регенераторе, расположенном в мертвом пространстве расширительной полости рабочего цилиндра, имеющего со стороны компрессорной полости всасывающий и нагнетательный клапаны, подключенные к магистралям подачи и сброса управляющего газа, при этом поршень выполнен в виде стакана с донышком в верхней его части, внутренний диаметр и высота которого обеспечивают скользящую посадку поршня на сепаратор в нижней мертвой точке (см. патент на изобретение RU 2234646, опубл. 20.08.2004, F25B 9/06).The closest analogue of the claimed piston expander is a free-piston expander, including a working cylinder with windows for gas inlet and outlet, a piston located inside the working cylinder, dividing it into an expansion and compressor cavities, a regenerator and a gas distribution device in the form of a spool pair, characterized in that it additionally contains a gas-liquid separator, which is equipped with centrifugal swirlers and installed on a regenerator located in the dead space of the expansion cavity of the working cylinder, which has suction and discharge valves on the side of the compressor cavity, connected to the supply and discharge lines of the control gas, while the piston is made in the form of a glass with a bottom in its upper part, the internal diameter and height of which ensure a sliding fit of the piston on the separator at the bottom dead center (see invention patent RU 2234646, published 08/20/2004, F25B 9/06).

Наиболее близким аналогом заявленного способа работы поршневого детандера является способ работы детандера, в котором путем подачи по трубопроводу пилотного газа под поршень газораспределительного устройства и его отвода осуществляют последовательно впуск сжатого рабочего газа в детандер и выпуск расширенного рабочего газа. При подаче пилотного газа под поршень газораспределительного устройства открывается окно впуска и производится впуск сжатого рабочего газа из трубопровода. Через поперечные прорези стакана газораспределительного устройства сжатый рабочий газ поступает в центральный вертикальный канал и далее через регенератор в расширительную полость рабочего цилиндра, где происходит его резкое расширение и вследствие этого охлаждение. При этом расширение рабочего газа начинается уже в регенераторе, где он одновременно охлаждается вследствие рекуперативного теплообмена с насадкой, охлажденной обратным потоком расширенного газа в предыдущем цикле. При расширении газ совершает работу по передвижению поршня в верхнюю мертвую точку и выталкиванию находящегося над поршнем (в компрессорной полости рабочего цилиндра) управляющего газа через нагнетательный клапан в магистраль сброса управляющего газа. Холод, эквивалентный затраченной энергии, а также холод эффекта Джоуля-Томсона вызывают частичную конденсацию рабочего газа. При достижении поршнем верхней мертвой точки производится подача в компрессорную полость рабочего цилиндра управляющего газа из магистрали через всасывающий клапан под давлением, превышающим давление в расширительной полости рабочего цилиндра. Вследствие этого поршень движется к нижней мертвой точке, вытесняя расширенный и охлажденный рабочий газ через центральный канал в окно выпуска и трубопровод расширенного рабочего газа. При движении обратного потока расширенного, охлажденного и частично сжиженного рабочего газа через сепаратор отделяется жидкая фаза, полученную в сепараторе жидкость отводят через патрубок, а холод расширенного газа рекуперируют в регенераторе. Путем подачи по трубопроводу пилотного газа под поршень газораспределительного устройства и его отвода осуществляют последовательно впуск сжатого рабочего газа в детандер и выпуск расширенного рабочего газа. При подаче пилотного газа под поршень газораспределительного устройства открывается окно впуска и производится впуск сжатого рабочего газа из трубопровода. Через поперечные прорези стакана газораспределительного устройства сжатый рабочий газ поступает в центральный вертикальный канал и далее через регенератор в расширительную полость рабочего цилиндра, где происходит его резкое расширение и вследствие этого охлаждение. При этом расширение рабочего газа начинается уже в регенераторе, где он одновременно охлаждается вследствие рекуперативного теплообмена с насадкой, охлажденной обратным потоком расширенного газа в предыдущем цикле. При расширении газ совершает работу по передвижению поршня в верхнюю мертвую точку и выталкиванию находящегося над поршнем (в компрессорной полости рабочего цилиндра) управляющего газа через нагнетательный клапан в магистраль сброса управляющего газа. Холод, эквивалентный затраченной энергии, а также холод эффекта Джоуля-Томсона вызывают частичную конденсацию рабочего газа. При достижении поршнем верхней мертвой точки производится подача в компрессорную полость рабочего цилиндра управляющего газа из магистрали через всасывающий клапан под давлением, превышающим давление в расширительной полости рабочего цилиндра. Вследствие этого поршень движется к нижней мертвой точке, вытесняя расширенный и охлажденный рабочий газ через центральный канал в окно выпуска и трубопровод расширенного рабочего газа. При движении обратного потока расширенного, охлажденного и частично сжиженного рабочего газа через сепаратор отделяется жидкая фаза, полученную в сепараторе жидкость отводят через патрубок, а холод расширенного газа рекуперируют в регенераторе (см. патент на изобретение RU 2234646, опубл. 20.08.2004, F25B 9/06).The closest analogue of the claimed method of operation of a piston expander is the method of operation of the expander, in which by supplying pilot gas through a pipeline under the piston of the gas distribution device and its outlet, the compressed working gas is sequentially injected into the expander and the expanded working gas is released. When pilot gas is supplied under the piston of the gas distribution device, the inlet window opens and compressed working gas is injected from the pipeline. Through the transverse slots of the gas distribution device cup, the compressed working gas enters the central vertical channel and then through the regenerator into the expansion cavity of the working cylinder, where it sharply expands and, as a result, cools. In this case, the expansion of the working gas begins already in the regenerator, where it is simultaneously cooled due to recuperative heat exchange with the nozzle, cooled by the reverse flow of the expanded gas in the previous cycle. When expanding, the gas does work to move the piston to top dead center and push out the control gas located above the piston (in the compressor cavity of the working cylinder) through the discharge valve into the control gas discharge line. The cold equivalent to the expended energy, as well as the cold of the Joule-Thomson effect, cause partial condensation of the working gas. When the piston reaches top dead center, control gas is supplied to the compressor cavity of the working cylinder from the line through the suction valve at a pressure exceeding the pressure in the expansion cavity of the working cylinder. As a result, the piston moves to bottom dead center, displacing the expanded and cooled working gas through the central channel into the exhaust port and the expanded working gas pipeline. When the reverse flow of expanded, cooled and partially liquefied working gas moves through the separator, the liquid phase is separated, the liquid obtained in the separator is removed through the pipe, and the cold of the expanded gas is recovered in the regenerator. By supplying pilot gas through a pipeline under the piston of the gas distribution device and its outlet, the compressed working gas is sequentially injected into the expander and the expanded working gas is released. When pilot gas is supplied under the piston of the gas distribution device, the inlet window opens and compressed working gas is injected from the pipeline. Through the transverse slots of the gas distribution device cup, the compressed working gas enters the central vertical channel and then through the regenerator into the expansion cavity of the working cylinder, where it sharply expands and, as a result, cools. In this case, the expansion of the working gas begins already in the regenerator, where it is simultaneously cooled due to recuperative heat exchange with the nozzle, cooled by the reverse flow of the expanded gas in the previous cycle. When expanding, the gas does work to move the piston to top dead center and push out the control gas located above the piston (in the compressor cavity of the working cylinder) through the discharge valve into the control gas discharge line. The cold equivalent to the expended energy, as well as the cold of the Joule-Thomson effect, cause partial condensation of the working gas. When the piston reaches top dead center, control gas is supplied to the compressor cavity of the working cylinder from the line through the suction valve at a pressure exceeding the pressure in the expansion cavity of the working cylinder. As a result, the piston moves to bottom dead center, displacing the expanded and cooled working gas through the central channel into the exhaust port and the expanded working gas pipeline. When the reverse flow of expanded, cooled and partially liquefied working gas moves through the separator, the liquid phase is separated, the liquid obtained in the separator is removed through the pipe, and the cold of the expanded gas is recovered in the regenerator (see invention patent RU 2234646, published 08.20.2004, F25B 9 /06).

Недостатками упомянутых выше технических решений является их низкая эффективность и высокие потери при срабатывании перепада давлений.The disadvantages of the technical solutions mentioned above are their low efficiency and high losses when the pressure difference is triggered.

Природный газ определен основным базовым энергоресурсом нашей страны на обозримое будущее, поэтому для эффективной замены угля и нефти на газ в традиционных технологиях необходимо освоение всей сферы энергопроизводства, энергопередачи и энергопотребления на качественно более высоком энерготехнологическом уровне. Создание опережающих газоэнерготехнологий будущего наиболее привлекательно на базе расширительных поршневых машин с охватом диапазона мощностей от 100 кВт в отдельном агрегате до 25 МВт в комплексных энергостанциях (КЭС), использующих перепад давлений на газораспределительных станциях (ГРС). Основными элементами КЭС, в зависимости от назначения, могут являться: электростанция с приводом от газового поршневого двигателя, детандер, детандер-компрессорный агрегат для получения сжатого газа (воздуха) высокого давления.Natural gas is determined to be the main basic energy resource of our country for the foreseeable future, therefore, in order to effectively replace coal and oil with gas in traditional technologies, it is necessary to master the entire sphere of energy production, energy transmission and energy consumption at a qualitatively higher energy technological level. The creation of advanced gas-energy technologies of the future is most attractive on the basis of expansion piston machines covering a power range from 100 kW in a separate unit to 25 MW in integrated power plants (IPPs), using pressure differentials at gas distribution stations (GDS). The main elements of a CES, depending on its purpose, may be: a power plant driven by a gas piston engine, an expander, an expander-compressor unit for producing high-pressure compressed gas (air).

Технической задачей, на решение которой направлена заявленная группа изобретений, является создание эффективного поршневого детандера с регулируемыми фазами газораспределения и разработка способа получения механической энергии от срабатывания давления газа в поршневом детандере.The technical problem to be solved by the stated group of inventions is the creation of an effective piston expander with adjustable valve timing and the development of a method for obtaining mechanical energy from the actuation of gas pressure in a piston expander.

Техническим результатом, на достижение которого направлена заявленная группа изобретений, является повышение эффективности работы поршневого детандера, за счет обеспечения возможности регулирования его мощности, снижения потерь при срабатывании перепада давлений.The technical result, which the claimed group of inventions is aimed at achieving, is to increase the efficiency of the piston expander by providing the ability to regulate its power and reduce losses when the pressure difference is triggered.

Указанный технический результат достигается тем, что поршневой детандер состоит из блока цилиндров, пятиопорного коленчатого вала, пятизвенного кривошипно-шатунного механизма включающего в себя рычаг, коренной шатун, поршневой шатун и крейцкопф, при этом блок цилиндров разделен на секции, в каждой из которых размещен горизонтальный цилиндр, во входной части каждой из секций размещена гильза цилиндра с поршнем, а в выходной части каждой из секций размещена направляющая крейцкопфа, входные части смежных секций развернуты друг относительно друга на 180 градусов, а поршни смежных секций расположены зеркально относительно друг друга, механизм газораспределения каждого цилиндра состоит из впускного органа, представляющего собой впускной поршневой золотник и выпускных органов, представляющих собой два выпускных клапана и выпускные окна, размещенные в нижней части гильзы цилиндра, механизм привода впускного поршневого золотника состоит из переднего кулачкового распределительного вала и вильчатого рычага и входящего в зацепление с регулировочным поводком с управляющим кулачком, на вильчатом конце рычага размещен нажимной ролик, на одном конце регулировочного поводка закреплен опорный ролик, а на его другом конце установлен управляющий кулачек, при этом вильчатый рычаг установлен с возможностью поворота относительно опорного ролика, привод выпускных клапанов осуществляется посредством кулачков, расположенных на выходном распределительном кулачковом валу, переднюю и заднюю части каждого цилиндра закрывают соответственно передняя и задняя головки, причем через переднюю головку проходит передний кулачковый газораспределительный вал и в ней размещены впускной поршневой золотник и механизм его привода, через заднюю головку проходит задний кулачковый газораспределительный вал и в ней размещены выпускные клапаны, кроме того, пятиопорный коленчатый вал связан с каждым поршнем посредством пятизвенного кривошипно-шатунного механизма и на одном конце пятиопорного коленчатого вала, расположенного с одной боковой стороны блока цилиндров, установлен маховик, а на другом конце коленчатого вала, расположенного с другой боковой стороны блока цилиндров, размещена зубчатая передача, посредством которой осуществляется передача крутящего момента от пятиопорного коленчатого вала на передний кулачковый распределительный вал и на задний кулачковый распределительный вал.This technical result is achieved by the fact that the piston expander consists of a cylinder block, a five-bearing crankshaft, a five-link crank mechanism including a lever, a main connecting rod, a piston connecting rod and a crosshead, while the cylinder block is divided into sections, each of which contains a horizontal cylinder, in the inlet part of each section there is a cylinder liner with a piston, and in the outlet part of each section there is a crosshead guide, the inlet parts of adjacent sections are rotated 180 degrees relative to each other, and the pistons of adjacent sections are located mirrored relative to each other, the gas distribution mechanism of each The cylinder consists of an intake body, which is an inlet piston spool and exhaust bodies, which are two exhaust valves and exhaust ports located at the bottom of the cylinder liner, the intake piston spool drive mechanism consists of a front cam camshaft and a fork lever and engages with an adjusting arm with a control cam, a pressure roller is placed at the forked end of the lever, a support roller is fixed at one end of the adjusting arm, and a control cam is installed at its other end, while the forked arm is mounted with the ability to rotate relative to the support roller, the exhaust valves are driven by means of cams , located on the output camshaft, the front and rear parts of each cylinder are closed by the front and rear heads, respectively, and the front cam gas distribution shaft passes through the front head and the intake piston valve and its drive mechanism are located in it, the rear cam gas distribution shaft passes through the rear head and exhaust valves are located in it, in addition, a five-bearing crankshaft is connected to each piston through a five-link crank mechanism and a flywheel is installed at one end of the five-bearing crankshaft located on one side of the cylinder block, and at the other end of the crankshaft located On the other side of the cylinder block, there is a gear transmission, through which torque is transmitted from the five-bearing crankshaft to the front cam camshaft and to the rear cam camshaft.

Способ получения механической энергии от срабатывания давления газа, осуществляется в упомянутом выше поршневом детандере и характеризуется тем, что подают газ из подводящей магистрали через впускной поршневой золотник в каждый цилиндр поршневого детандера, в цилиндре под действием давления газа поршень перемещается от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ), при перемещении поршня давление газа преобразуется в механическую энергию за счет вращения связанного с поршнем коленчатого вала, при перемещении поршня в цилиндре до достижения поршнем НМТ впускной поршневой золотник закрывается, а выпускные органы открываются, и газ вытекает из цилиндра в выпускную магистраль, после чего выпускные органы закрываются, а поршень по инерции начинает движение обратно к ВМТ, сжимая газ в цилиндре и при приближении к ВМТ открывается впускной поршневой золотник и упомянутый цикл движения поршня от ВМТ к НМТ повторяется, при этом регулирование мощности детандера осуществляют за счет изменения фаз открытия и закрытия впускного поршневого золотника и открытия и закрытия выпускных органов цилиндров, причем регулирование моментов открытия и закрытия впускного поршневого золотника осуществляется посредством изменения положения оси качания вильчатого рычага относительно опорного ролика, при этом впуск рабочего тела в каждый из цилиндров производится с возможностью изменения фазы закрытия впускного поршневого золотника в большем диапазоне, чем диапазон изменения фазы его открытия.The method of obtaining mechanical energy from the actuation of gas pressure is carried out in the above-mentioned piston expander and is characterized by the fact that gas is supplied from the supply line through the inlet piston valve to each cylinder of the piston expander; in the cylinder, under the action of gas pressure, the piston moves from top dead center (TDC) to bottom dead center (BDC), when the piston moves, the gas pressure is converted into mechanical energy due to the rotation of the crankshaft connected to the piston, when the piston moves in the cylinder until the piston reaches BDC, the inlet piston valve closes, and the exhaust parts open, and gas flows out of the cylinder into the exhaust line, after which the exhaust elements close, and the piston, by inertia, begins to move back to TDC, compressing the gas in the cylinder and when approaching TDC, the inlet piston valve opens and the mentioned cycle of piston movement from TDC to BDC is repeated, while the expander power is adjusted by changing the phases of opening and closing the inlet piston valve and the opening and closing of the exhaust bodies of the cylinders, and the regulation of the opening and closing moments of the inlet piston valve is carried out by changing the position of the swing axis of the fork lever relative to the support roller, while the inlet of the working fluid into each of the cylinders is carried out with the ability to change the closing phase of the intake piston valve in a larger range than the range of changes in its opening phase.

На впуске во впускной поршневой золотник газ подогревают.At the inlet into the intake piston valve, the gas is heated.

Фаза открытия впускного поршневого золотника находится в пределах 350-355 градусов поворота коленчатого вала (град, п.к.в.), а фаза его закрытия находится в пределах 120-130 град, п.к.в.The opening phase of the intake piston valve is within 350-355 degrees of crankshaft rotation (deg, p.k.v.), and its closing phase is within 120-130 degrees, p.k.v.

Для обеспечения равномерности вращения коленчатого вала поршневого детандера число цилиндров увеличивается (применяется несколько цилиндров). Кроме того, на коленчатом валу устанавливается маховик.To ensure uniform rotation of the crankshaft of the piston expander, the number of cylinders is increased (several cylinders are used). In addition, a flywheel is installed on the crankshaft.

Для регулирования мощности детандера изменяют степень наполнения цилиндра при впуске газа за счет изменения угла закрытия впускного поршневого золотника (момент отсечки). Изменение угла закрытия впускного поршневого золотника осуществляется за счет поворота кулачкового вала с находящимся на нем кулачка, входящим в вильчатый конец рычага, который за счет ролика приводит в движение впускной поршневой золотник.To regulate the power of the expander, the degree of filling of the cylinder when gas is injected is changed by changing the closing angle of the inlet piston valve (cut-off moment). Changing the closing angle of the intake piston valve is carried out by rotating the cam shaft with a cam located on it, which enters the forked end of the lever, which, due to the roller, drives the intake piston valve.

Сущность заявленной группы изобретений поясняется чертежами.The essence of the claimed group of inventions is illustrated by drawings.

На фиг. 1 показан общий вид поршневого детандера.In fig. Figure 1 shows a general view of a piston expander.

На фиг. 2 показан привод впускного поршневого золотника поршневого детандера.In fig. Figure 2 shows the drive of the inlet piston valve of the piston expander.

На фиг. 3 показана индикаторная диаграмма поршневого детандера при разных фазах газораспределения.In fig. Figure 3 shows an indicator diagram of a piston expander at different valve timing.

На фиг. 4 показана индикаторная диаграмма поршневого детандера при различных температурах на впуске.In fig. Figure 4 shows an indicator diagram of a piston expander at various inlet temperatures.

На фиг. 5 показана диаграмма изменения мощности поршневого детандера и расхода газа в зависимости от температуры газа на впуске.In fig. Figure 5 shows a diagram of changes in piston expander power and gas flow depending on the gas inlet temperature.

На фиг. 6 показана диаграмма зависимости мощности поршневого детандера от фаз газораспределения впускного поршневого золотника.In fig. Figure 6 shows a diagram of the dependence of the power of the piston expander on the valve timing of the inlet piston spool.

На фиг. 7 показана диаграмма изменения мощности поршневого детандера регулированием отсечки.In fig. Figure 7 shows a diagram of the change in power of a piston expander by adjusting the cutoff.

На фиг. 1 и фиг. 2 позициями обозначены следующие элементы поршневого детандера: блок 1 цилиндров, гильза 2 цилиндра, направляющая 3 крейцкопфа, передняя головка 4 блока 1 цилиндров, передний кулачковый газораспределительный вал 5, впускной поршневой золотник 6, выпускные клапаны 7, вильчатый рычаг 8, управляющий кулачок 9, нажимной ролик 10, крышка 11 передней головки 4, поршень 12, коленчатый вал 13, рычаг 14 кривошипно-шатунного механизма, коренной шатун 15, поршневой шатун 16, крейцкопф 17, шпильки 18, задняя головка 19 блока 1 цилиндров, задний кулачковый газораспределительный вал 20.In fig. 1 and fig. 2 positions indicate the following elements of the piston expander: cylinder block 1, cylinder liner 2, crosshead guide 3, front head 4 of cylinder block 1, front cam gas distribution shaft 5, inlet piston valve 6, exhaust valves 7, fork lever 8, control cam 9, pressure roller 10, front head cover 11 4, piston 12, crankshaft 13, crank mechanism lever 14, main connecting rod 15, piston connecting rod 16, crosshead 17, studs 18, rear head 19 of cylinder block 1, rear cam camshaft 20 .

В качестве поршневого детандера применяется многоцилиндровая оппозитная, крейцкопфная поршневая регулируемая машина (см. фиг. 1, фиг. 2). Поршневые детандеры являются основными агрегатами новых силовых установок транспортного назначения с газовой передачей энергии на ведущие колеса. Использование силовых установок с газовой передачей позволяет уменьшить установочную мощность транспортного средства в 1,5-2 раза, снизить эксплуатационный расход топлива на 30-40% и уменьшить выбросы вредных веществ с отработавшими газами двигателей в 2-3 раза.A multi-cylinder opposed, crosshead piston adjustable machine is used as a piston expander (see Fig. 1, Fig. 2). Piston expanders are the main units of new transport power plants with gas transmission of energy to the drive wheels. The use of power plants with gas transmission makes it possible to reduce the installed power of a vehicle by 1.5-2 times, reduce operating fuel consumption by 30-40% and reduce emissions of harmful substances from engine exhaust gases by 2-3 times.

Поршневой детандер имеет блок 1 цилиндров, при этом оси цилиндров блока 1 расположены горизонтально.The piston expander has a cylinder block 1, and the cylinder axes of block 1 are located horizontally.

Блок 1 цилиндров разделен на секции, в каждой из которых размещен цилиндр с гильзой и направляющая 3 крейцкопфа 17, примыкающая к гильзе 2. При этом гильза 2 цилиндра размещена во входной части каждой из секций, а в выходной части каждой из секций размещена направляющая 3 крейцкопфа 17. Гильза 2 запрессована или залита в цилиндр и представляет собой вставку в блок цилиндра двигателя, которая выступает в роли стенок цилиндра, обеспечивая поршню возможность движения. Объем гильзы 2 определяет рабочий объем цилиндра. Внутри гильзы 2 каждого цилиндра установлен поршень 12, перемещающийся между верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ).The cylinder block 1 is divided into sections, each of which contains a cylinder with a liner and a crosshead guide 3 17 adjacent to the liner 2. In this case, the cylinder liner 2 is placed in the inlet part of each section, and the crosshead guide 3 is placed in the outlet part of each section 17. Liner 2 is pressed or poured into the cylinder and is an insert into the engine cylinder block, which acts as the walls of the cylinder, allowing the piston to move. The volume of liner 2 determines the working volume of the cylinder. A piston 12 is installed inside the liner 2 of each cylinder, moving between top dead center (TDC) and bottom dead center (BDC).

Входные части смежных секций развернуты поочередно друг относительно друга на 180 градусов, т.е. входная часть первой из секций примыкает к выходной части второй секции, к которой в свою очередь примыкает входная часть третьей секции и т.д.The input parts of adjacent sections are rotated alternately relative to each other by 180 degrees, i.e. the input part of the first section is adjacent to the output part of the second section, which in turn is adjacent to the input part of the third section, etc.

Поршни 12 в цилиндрах смежных секций расположены оппозитно, т.е. поршни 12 цилиндров смежных секций осуществляют свое движение в горизонтальной плоскости в противоположных направлениях, располагаясь при этом зеркально относительно друг друга.Pistons 12 in the cylinders of adjacent sections are located oppositely, i.e. the pistons of 12 cylinders of adjacent sections move in a horizontal plane in opposite directions, being located mirror-like relative to each other.

Механизм изменения фаз газораспределения каждого цилиндра состоит из впускного органа, представляющего собой впускной поршневой золотник 6 и выпускных органов, представляющих собой два выпускных клапана 7 и выпускные окна, размещенные в задней части каждой гильзы цилиндра.The mechanism for changing the valve timing of each cylinder consists of an intake body, which is an inlet piston valve 6, and exhaust bodies, which are two exhaust valves 7 and exhaust ports located at the rear of each cylinder liner.

Разгруженный впускной поршневой золотник 6 приводится в действие с помощью рычага 8, в зацепление с которым входит регулировочный поводок, качающийся на своей оси. Механизм привода впускного поршневого золотника 6 состоит из переднего кулачкового газораспределительного вала 5, вильчатого рычага 8, регулировочного поводка с управляющим кулачком 9. Вильчатый рычаг 8 выполнен с опорной поверхностью виде плоской стенки (с плоским толкателем). На вильчатом конце рычага 8 размещен опорный ролик, размещенный на одном конце регулировочного поводка, а на втором конце вильчатого рычага 8 установлен нажимной ролик 10. Второй конец регулировочного поводка размещен на управляющем кулачке 9. При этом вильчатый рычаг 8 установлен с возможностью поворота относительно опорного ролика, размещенного на его вильчатом конце. Опорная поверхность рычага 8 соприкасается с впускным кулачком переднего кулачкового газораспределительного вала 5.The unloaded inlet piston valve 6 is actuated by lever 8, which engages with an adjusting arm that swings on its axis. The drive mechanism of the intake piston valve 6 consists of a front cam camshaft 5, a fork lever 8, an adjusting lever with a control cam 9. The fork lever 8 is made with a supporting surface in the form of a flat wall (with a flat pusher). At the forked end of the lever 8 there is a support roller located at one end of the adjusting lever, and at the second end of the forked lever 8 there is a pressure roller 10. The second end of the adjusting lever is located on the control cam 9. In this case, the forked lever 8 is mounted with the ability to rotate relative to the support roller , placed at its forked end. The supporting surface of the lever 8 is in contact with the inlet cam of the front camshaft 5.

В механизме привода впускного поршневого золотника 6 замкнутая кинематическая цепь обеспечивается за счет разности давлений, действующих со стороны цилиндра и атмосферного давления со стороны привода впускного поршневого золотника 6.In the drive mechanism of the intake piston valve 6, a closed kinematic chain is ensured by the difference in pressure acting on the side of the cylinder and atmospheric pressure on the drive side of the intake piston valve 6.

Для улучшения процесса выпуска в задней части гильзы выполнены выпускные окна, которые открываются поршнем 12 при его подходе к НМТ.To improve the release process, exhaust windows are made in the rear part of the liner, which are opened by piston 12 when it approaches BDC.

В приводе выпускных клапанов 7 использован механизм по типу механизмов приводов, которые отработаны в двигателях внутреннего сгорания. Привод выпускных клапанов 7 осуществляется расположенными на заднем газораспределительном кулачковом валу 20 кулачками. Задний газораспределительный кулачковый вал 20 посредством кулачков через передаточные звенья привода передает движение выпускным клапанам 7.The drive of the exhaust valves 7 uses a mechanism similar to the drive mechanisms that have been developed in internal combustion engines. The exhaust valves 7 are driven by 20 cams located on the rear gas distribution cam shaft. The rear gas distribution cam shaft 20 transmits movement to the exhaust valves 7 by means of cams through drive transmission links.

Поршневой детандер снабжен пятизвенным кривошипно-шатунным механизмом, включающим в себя рычаг 14, коренной шатун 15, поршневой шатун 16 и крейцкопф 17.The piston expander is equipped with a five-link crank mechanism, which includes a lever 14, a main connecting rod 15, a piston connecting rod 16 and a crosshead 17.

Также поршневой детандер снабжен пятиопорным коленчатым валом 13. При помощи пятизвенного кривошипно-шатунного механизма осуществляется связь между коленчатым валом 13 с каждым поршнем 12 цилиндра. Между секциями в приливах блока 1 выполнены опоры коленчатого вала 13.Also, the piston expander is equipped with a five-bearing crankshaft 13. Using a five-link crank mechanism, the connection between the crankshaft 13 and each piston 12 of the cylinder is established. Between the sections in the bosses of block 1 there are supports for the crankshaft 13.

На одном конце коленчатого вала 13, расположенного с одной боковой стороны блока 1 цилиндров установлен маховик, а на другом конце коленчатого вала 13, расположенного с другой боковой стороны блока 1 цилиндров размещена зубчатая передача. Передача крутящего момента от коленчатого вала на передний и задний кулачковые распределительные валы осуществляется посредством шестерни зубчатой передачи.At one end of the crankshaft 13, located on one side of the cylinder block 1, a flywheel is installed, and at the other end of the crankshaft 13, located on the other side of the cylinder block 1, a gear is installed. The transmission of torque from the crankshaft to the front and rear camshafts is carried out through a gear drive.

Зубчатая передача обеспечивает синхронизацию вращения коленчатого вала 13 и открытие и закрытие впускных поршневых золотников 6 и выпускных клапанов 7 для каждого цилиндра.The gear drive synchronizes the rotation of the crankshaft 13 and the opening and closing of the inlet piston valves 6 and exhaust valves 7 for each cylinder.

Переднюю и заднюю части каждого цилиндра закрывают соответственно передняя 4 и задняя 19 головки.The front and rear parts of each cylinder are covered by the front 4 and rear 19 heads, respectively.

Через переднюю головку 4, закрывающую переднюю часть цилиндра проходит передний кулачковый газораспределительный вал 5 и в головке 4 размещены впускной поршневой золотник 6 и механизм его привода. В поверхности передней головки 4, примыкающей к входу в цилиндр выполнены отверстия, предназначенные для установки в них впускного поршневого золотника 6.The front cam gas distribution shaft 5 passes through the front head 4, covering the front part of the cylinder, and the inlet piston valve 6 and its drive mechanism are located in the head 4. In the surface of the front head 4 adjacent to the inlet of the cylinder there are holes designed for installing the inlet piston valve 6 into them.

Через заднюю головку 19, закрывающую выходную часть блока 1 цилиндров проходит задний кулачковый газораспределительный вал 20 и в задней головке 19 размещены выпускные клапаны 7. В поверхности головки задней 19, примыкающей к выходу из цилиндра выполнены отверстия, предназначенные для установки в них выпускных клапанов 7, а также выполнена выемка для размещения опоры крейцкопфа 17.The rear cam gas distribution shaft 20 passes through the rear head 19, which covers the output part of the cylinder block 1, and exhaust valves 7 are located in the rear head 19. In the surface of the rear head 19, adjacent to the outlet of the cylinder, there are holes designed to install exhaust valves 7 in them, and also a recess is made to accommodate the crosshead support 17.

Передний кулачковый распределительный вал 5 проходит через верхнюю поверхность передней головки 4 и закрыт сверху крышкой 11. Задний кулачковый распределительный вал 20 проходит через верхнюю часть задней головки 19 и закрыт сверху крышкой.The front cam camshaft 5 passes through the top surface of the front head 4 and is closed on top by a cover 11. The rear cam camshaft 20 passes through the top of the rear head 19 and is closed on top by a cover.

Крышка 1 и передняя головка 4 стянуты с блоком 1 в жесткую конструкцию при помощи шпилек 18, проходящих через каналы, выполненные между секциями, а также через опоры коленчатого вала 13.The cover 1 and the front head 4 are pulled together with the block 1 into a rigid structure using pins 18 passing through the channels made between the sections, as well as through the crankshaft supports 13.

Также крышка и задняя головка 19 стянуты с блоком 1 в жесткую конструкцию при помощи шпилек 18, проходящих через каналы, выполненные между секциями, а также через опоры коленчатого вала 13.Also, the cover and the rear head 19 are pulled together with the block 1 into a rigid structure using pins 18 passing through the channels made between the sections, as well as through the crankshaft supports 13.

С целью получения наибольшей эффективности, фаза открытия впускного поршневого золотника 6 находится в пределах 350-355 градусов поворота коленчатого вала (град, п.к.в.), а фаза закрытия впускного поршневого золотника 6 находится в пределах 120-130 град, п.к.в.In order to obtain the greatest efficiency, the opening phase of the intake piston valve 6 is within 350-355 degrees of crankshaft rotation (deg, p.c.), and the closing phase of the intake piston valve 6 is within 120-130 degrees, p. k.v.

Способ получения механической энергии от срабатывания давления газа в описанном выше поршневом детандере осуществляется следующим образом.The method of obtaining mechanical energy from the actuation of gas pressure in the piston expander described above is carried out as follows.

Поршневой детандер может работать по энергетическому или холодильному циклам. При работе по энергетическому циклу рабочее тело (газ) перед подачей во впускные органы детандера входом подогревают.A piston expander can operate in energy or refrigeration cycles. When operating in an energy cycle, the working fluid (gas) is heated by the inlet before being supplied to the inlet parts of the expander.

Для получения электроэнергии и холода газ в поршневой детандер направляют непосредственно или после предварительного охлаждения. Термодинамически наиболее выгодна работа установки по холодильному циклу с получением электроэнергии и холода. В результате такого комплексного использования перепада давления газа получается наибольший экономический эффект.To produce electricity and cold, gas is sent directly to a piston expander or after pre-cooling. Thermodynamically, the most advantageous operation of the installation is the refrigeration cycle, producing electricity and cold. As a result of such integrated use of gas pressure drop, the greatest economic effect is obtained.

При работе заявленного поршневого детандера осуществляют впуск рабочего тела (газа) через впускной поршневой золотник 6 в каждый цилиндр блока 1 цилиндров детандера. При открытии впускного поршневого золотника 6 каждого из цилиндров газ из подводящей магистрали под давлением направляется в цилиндры поршневого детандера. Впуск газ во впускной поршневой золотник 6 осуществляют из впускной газовой магистрали за счет воздействия давления газа на рычаг 8 с нажимным роликом 10 впускного кулачка, находящегося на переднем газораспределительном валу 5.When the claimed piston expander is operating, the working fluid (gas) is injected through the inlet piston valve 6 into each cylinder of the expander cylinder block 1. When the inlet piston valve 6 of each cylinder is opened, gas from the supply line is directed under pressure into the cylinders of the piston expander. Gas is admitted into the intake piston valve 6 from the intake gas line due to the action of gas pressure on the lever 8 with the pressure roller 10 of the intake cam located on the front gas distribution shaft 5.

Вначале поршень 12 цилиндра находится в верхнем положении вблизи ВМТ (верхней мертвой точки). Под действием давления газа, поступающего в цилиндр, поршень 12 начинает перемещаться к нижней мертвой точке (НМТ). При подходе поршня 12 к НМТ он открывает выпускные окна, размещенные в задней части каждой гильзы цилиндра впускной поршневого золотника 6, через которые газ свободно вытекает из цилиндра в отводную магистраль.Initially, the piston of cylinder 12 is in the upper position near TDC (top dead center). Under the influence of gas pressure entering the cylinder, piston 12 begins to move to bottom dead center (BDC). When piston 12 approaches BDC, it opens exhaust windows located in the rear part of each cylinder liner of the inlet piston valve 6, through which gas freely flows from the cylinder into the outlet line.

При перемещении поршня 12 в каждом цилиндре в направлении НМТ впускной поршневой золотник 6 закрывается (момент отсечки впуска) происходит дополнительное расширение газа в цилиндре. При движении газа открываются выпускные органы и газ из цилиндра под давлением, большим, чем давление в выпускной магистрали свободно вытекает из цилиндра. Таким образом закрытие впускного поршневого золотника 6 осуществляется до достижения поршнем 12 НМТ, что обеспечивает снижение давления в цилиндре и уменьшение отрицательной работы на сжатие газа в процессе выпуска.When the piston 12 moves in each cylinder in the direction of BDC, the intake piston valve 6 closes (intake cut-off moment), additional expansion of the gas in the cylinder occurs. When gas moves, the exhaust organs open and gas from the cylinder under a pressure greater than the pressure in the exhaust line flows freely from the cylinder. Thus, the closing of the inlet piston valve 6 is carried out until the piston reaches 12 BDC, which ensures a decrease in pressure in the cylinder and a reduction in the negative work on gas compression during the exhaust process.

Открытие выпускных клапанов 7, осуществляется до достижения поршнем НМТ, т.к. это обеспечивает уменьшение давления на поршень 12 в начале его обратного хода. При прохождении поршнем 12 НМТ происходит поджатие газа в цилиндре за счет движения поршня 12 вверх и принудительное выталкивание газа из цилиндра. После чего выпускные органы закрываются. Выпускные органы (выпускные клапаны 7 и выпускные окна) закрываются до достижения поршня ВМТ, что обеспечивает заполнение вредного пространства и требует меньшего количества рабочего тела (газа), по сравнению с тем, которое потребовалось бы, если бы выпуск продолжался до конца обратного хода и вредное пространство было заполнено рабочим телом (газом) с низким давлением.The opening of the exhaust valves 7 is carried out until the piston reaches BDC, because this ensures a decrease in pressure on the piston 12 at the beginning of its return stroke. When the piston 12 passes BDC, the gas in the cylinder is pressurized due to the upward movement of the piston 12 and the gas is forced out of the cylinder. After which the exhaust organs close. The exhaust bodies (exhaust valves 7 and exhaust windows) are closed until the piston reaches TDC, which ensures the filling of the harmful space and requires less working fluid (gas) compared to what would be required if the exhaust continued until the end of the return stroke and the harmful the space was filled with a working fluid (gas) with low pressure.

Поршень 12 по инерции движется вверх, сжимая газ в цилиндре. При приближении к ВМТ открывается впускной поршневой золотник 6 и цикл работы поршневого детандера повторяется.Piston 12 moves upward by inertia, compressing the gas in the cylinder. When approaching TDC, the inlet piston valve 6 opens and the operating cycle of the piston expander is repeated.

При этом поршни 12 в цилиндрах смежных секций осуществляют свое движение в горизонтальной плоскости, располагаясь при этом зеркально относительно друг друга. Когда один из поршней достигает своей ВМТ, другой при этом достигает НМТ. Встречный ход поршней обеспечивает компактность детандера при сохранении высокой мощности поршневого детандера.In this case, the pistons 12 in the cylinders of adjacent sections move in a horizontal plane, being located mirror-like relative to each other. When one of the pistons reaches its TDC, the other reaches BDC. The counter stroke of the pistons ensures the compactness of the expander while maintaining the high power of the piston expander.

Кривошипно-шатунный механизм, связывающий поршень 12 с коленчатым валом 13, преобразует давление газа в механическую работу - вращение коленчатого вала.The crank mechanism connecting the piston 12 with the crankshaft 13 converts gas pressure into mechanical work - rotation of the crankshaft.

При перемещении поршня 12 под действием давления газа от ВМТ к НМТ совершатся полезная работа за счет передачи силы давления через поршень на коленчатый вал 13.When piston 12 moves under the influence of gas pressure from TDC to BDC, useful work is performed due to the transfer of pressure force through the piston to the crankshaft 13.

Регулирование мощности детандера осуществляют за счет изменения фаз открытия и закрытия впускного поршневого золотника 6. Регулирование мощности поршневого детандера осуществляется изменением наполнения цилиндра (отсечки) с помощью механизма изменения длины плеча рычага 8, что приводит к изменению угла закрытия впускного поршневого золотника 6 (момент отсечки). Изменение угла закрытия впускного поршневого золотника 6 осуществляется за счет поворота переднего кулачкового газораспределительного вала 5.The expander power is regulated by changing the opening and closing phases of the inlet piston valve 6. The power of the piston expander is regulated by changing the filling of the cylinder (cut-off) using a mechanism for changing the length of the lever arm 8, which leads to a change in the closing angle of the inlet piston valve 6 (cut-off moment) . The closing angle of the intake piston valve 6 is changed by rotating the front cam camshaft 5.

Таким образом, происходит изменение фаз открытия и закрытия впускных поршневых золотников 6 цилиндров за счет поворота управляющего кулачка 9, изменяющего положение оси качания рычага 8 и, следовательно, изменения угла наклона рычага 8, относительно опорного ролика, входящего в вильчатый конец рычага 8.Thus, the opening and closing phases of the inlet piston valves 6 of the cylinders change due to the rotation of the control cam 9, which changes the position of the swing axis of the lever 8 and, consequently, changes the angle of inclination of the lever 8 relative to the support roller included in the forked end of the lever 8.

С целью повышения эффективности работы поршневого детандера, регулирование фаз открытия и закрытия выпускных клапанов 7 и впускных поршневых золотников 6 цилиндров осуществляется независимо друг от друга. С целью получения наибольшей эффективности впуск газа в каждый из цилиндров производится с возможностью изменения фазы закрытия впускного поршневого золотника в большем диапазоне, чем диапазон изменения фазы его открытия. Фаза открытия впускного поршневого золотника 6 может находиться в пределах 350-355 градусов поворота коленчатого вала (п.к.в.), а фаза его закрытия может находиться в пределах 120-130 град. п.к.в.In order to increase the efficiency of the piston expander, the opening and closing phases of the exhaust valves 7 and the intake piston valves of the 6 cylinders are controlled independently of each other. In order to obtain the greatest efficiency, gas is injected into each of the cylinders with the possibility of changing the closing phase of the intake piston valve in a larger range than the range of changing its opening phase. The opening phase of the intake piston valve 6 can be within 350-355 degrees of crankshaft rotation (c.c.), and its closing phase can be within 120-130 degrees. p.k.v.

Повышение эффективности и снижение потерь давления обеспечивается улучшенным процессом расширения газа за счет оптимальных моментов открытия и закрытия впускных и выпускных органов детандера.Increased efficiency and reduced pressure losses are ensured by an improved gas expansion process due to optimal opening and closing times of the expander inlet and outlet organs.

Выполнение силовой схемы детандера, состоящей из уравновешенного механизма, обеспечивающего равномерное чередование процессов впуска-выпуска газа из цилиндров, и включающего плоский пятиопорный коленчатый вал 13 и пятизвенный кривошипно-шатунный механизм, позволяет получить достаточно малые габариты детандера. Это резко упрощает его размещение во внутреннем пространстве станции.The implementation of the power circuit of the expander, consisting of a balanced mechanism that ensures uniform alternation of the processes of inlet and outlet of gas from the cylinders, and includes a flat five-bearing crankshaft 13 and a five-link crank mechanism, makes it possible to obtain fairly small dimensions of the expander. This greatly simplifies its placement in the internal space of the station.

Термодинамический цикл детандера в P-V координатах (см. фиг. 3) определяется следующими процессами: 1 - открытие впускного поршневого золотника; 1-2 - наполнение цилиндра детандера; 2 - закрытие впускного поршневого золотника; 2-3 - расширение рабочего тела (газа); 4 - открытие выпускных клапанов; 4-5 - свободный выпуск рабочего тела (газа) из цилиндра; 5-6 - принудительный выпуск рабочего тела (газа); 6 - закрытие выпускных клапанов, 6-1 сжатие.The thermodynamic cycle of the expander in P-V coordinates (see Fig. 3) is determined by the following processes: 1 - opening of the inlet piston valve; 1-2 - filling the expander cylinder; 2 - closing the intake piston valve; 2-3 - expansion of the working fluid (gas); 4 - opening of exhaust valves; 4-5 - free release of the working fluid (gas) from the cylinder; 5-6 - forced release of the working fluid (gas); 6 - closing of exhaust valves, 6-1 compression.

Регулирование мощности за счет изменения температуры рабочего тела (газа) в подводящей магистрали не позволяет получить существенного изменения мощности детандера. С увеличением температуры газа на 400 K при одинаковом давлении и неизменных фазах газораспределения изменение мощности детандера достигает 28% (см. фиг. 4).Power regulation by changing the temperature of the working fluid (gas) in the supply line does not allow a significant change in the power of the expander. With an increase in gas temperature by 400 K at the same pressure and constant gas distribution phases, the change in expander power reaches 28% (see Fig. 4).

Большая мощность, развиваемая детандером, получается вследствие большего располагаемого теплоперепада, которым обладает рабочее тело (газ) с более высокой температурой. Именно срабатывание теплоперепада в детандере обеспечивает его более высокий коэффициент полезного действия (КПД) по сравнению с паровыми расширительными машинами, где работа получается только за счет срабатывания давления пара. Как показано на фиг. 4 индикаторная диаграмма детандера как бы расширяется за счет роста давления на прямом ходе и уменьшения давления на обратном ходе поршня. Изменение мощности детандера и расхода газа через детандер, в зависимости от температуры газа на впуске, показано на фиг. 5. С увеличением температуры газа на впуске из-за увеличения располагаемого теплоперепада существенно, почти в два раза, уменьшается расход газа через детандер, а мощность, вырабатываемая детандером, увеличивается. Таким образом, подогрев газа на впуске позволяет значительно расширить область использования детандеров одного типа-размера, применяя их на ГРС, имеющих небольшие расходы газа.The greater power developed by the expander is obtained due to the greater available heat difference that the working fluid (gas) has at a higher temperature. It is the actuation of the heat difference in the expander that ensures its higher coefficient of performance (efficiency) compared to steam expansion machines, where work is obtained only due to the actuation of steam pressure. As shown in FIG. 4, the indicator diagram of the expander seems to expand due to an increase in pressure during the forward stroke and a decrease in pressure during the reverse stroke of the piston. The change in expander power and gas flow through the expander, depending on the inlet gas temperature, is shown in Fig. 5. With an increase in the inlet gas temperature, due to an increase in the available heat drop, the gas flow through the expander decreases significantly, almost twice, and the power generated by the expander increases. Thus, heating the gas at the inlet makes it possible to significantly expand the range of use of expanders of the same type and size, using them at gas distribution stations with low gas flow rates.

Анализ термодинамического цикла поршневого детандера показывает, что наиболее эффективно регулирование его мощности достигается за счет регулирования наполнения. Возможны два способа: изменение фазы закрытия впускного золотника или изменение давления рабочего тела (газа) перед впускным золотником.Analysis of the thermodynamic cycle of a piston expander shows that the most effective control of its power is achieved by regulating the filling. Two methods are possible: changing the closing phase of the intake valve or changing the pressure of the working fluid (gas) in front of the intake valve.

При регулировании мощности за счет изменения давления рабочего тела (газа) в подводящей магистрали при неизменных фазах газораспределения работа прямого хода уменьшается больше, чем работа обратного хода. Однако из-за сложности регулирования давления не удается обеспечить регулирование давления в широких пределах. В виду этого наиболее распространенным способом регулирования мощности детандера является регулирование мощности за счет изменения фаз газораспределения впускных и выпускных органов. Этот способ более предпочтителен как с термодинамической точки зрения, так и с точки зрения создания работоспособного механизма изменения фаз газораспределения.When regulating power by changing the pressure of the working fluid (gas) in the supply line with constant valve timing, the forward stroke work decreases more than the reverse stroke work. However, due to the complexity of pressure control, pressure control over a wide range cannot be achieved. In view of this, the most common way to regulate the power of an expander is to regulate the power by changing the valve timing of the intake and exhaust parts. This method is more preferable both from a thermodynamic point of view and from the point of view of creating a workable mechanism for changing valve timing.

Исходя из необходимости обеспечения максимального использования энергии рабочего тела (газа) в подводящей магистрали и получения максимальной мощности детандера определены фазы газораспределения впускных и выпускных органов (фиг. 3, диаграмма 1).Based on the need to ensure maximum use of the energy of the working fluid (gas) in the supply line and to obtain maximum power of the expander, the gas distribution phases of the intake and exhaust parts were determined (Fig. 3, diagram 1).

Изменение фазы закрытия впуска в сторону увеличения заполнения цилиндра рабочим телом (газом), казалось бы, должно приводить к увеличению мощности детандера. В действительности из-за увеличения давления в конце процесса расширения увеличивается работа выталкивания и уменьшается мощность детандера (см. фиг. 3, диаграмма 5). Открытие выпускных органов ближе к НМТ приводит к увеличению давления в цилиндре во время выпуска (фиг. 3, диаграмма 3), что сокращает полноту индикаторной диаграммы и уменьшает полезную работу за счет увеличения работы выталкивания. Хотя во время впуска и расширения получается максимальная работа на прямом ходе, но существенно увеличивается работа обратного хода.A change in the intake closing phase in the direction of increasing the filling of the cylinder with the working fluid (gas), it would seem, should lead to an increase in the power of the expander. In fact, due to the increase in pressure at the end of the expansion process, the ejection work increases and the expander power decreases (see Fig. 3, diagram 5). Opening the exhaust organs closer to BDC leads to an increase in pressure in the cylinder during exhaust (Fig. 3, diagram 3), which reduces the completeness of the indicator diagram and reduces useful work due to increased ejection work. Although during intake and expansion the maximum work on the forward stroke is obtained, the work on the reverse stroke increases significantly.

Уменьшение угла закрытия впускного поршневого золотника 6 вызывает существенное уменьшение работы прямого хода, в виду уменьшения наполнения цилиндра газом и затем его продолжительного расширения в цилиндре. Хотя из-за уменьшения давления в цилиндре в конце процесса расширения работа обратного хода получается самой маленькой, тем не менее мощность детандера минимальна (фиг. 3, диаграмма 6). Рассматривая поле характеристик изменения мощности детандера при регулировании фаз газораспределения впускного поршневого золотника, можно заметить, что имеется область максимальной мощности, при которой фазы газораспределения можно принять оптимальными (фиг. 6). Регулирование мощности детандера возможно как за счет изменения открытия, так и за счет изменения закрытия впускного поршневого золотника. В технике нашел применение второй способ, при котором объем цилиндра в момент закрытия впускного поршневого золотника определяет отсечку наполнения цилиндра. Зависимость мощности детандера от угла закрытия впускного поршневого золотника показана на фиг. 7. Изменение мощности от нуля до максимальной находится в диапазоне изменения угла в 126 градусов поворота коленчатого вала (п.к.в.) (Ψ=0,1), после чего регулирование мощности отсечкой становится нерациональным.A decrease in the closing angle of the inlet piston valve 6 causes a significant decrease in the work of the forward stroke, due to a decrease in the filling of the cylinder with gas and then its continued expansion in the cylinder. Although, due to the decrease in pressure in the cylinder at the end of the expansion process, the reverse work is the smallest, the expander power is nevertheless minimal (Fig. 3, diagram 6). Considering the field of characteristics of changes in expander power when adjusting the valve timing of the intake piston valve, one can notice that there is a region of maximum power at which the valve timing can be assumed to be optimal (Fig. 6). Adjustment of the expander power is possible both by changing the opening and by changing the closing of the inlet piston valve. The second method has found application in technology, in which the volume of the cylinder at the moment of closing the inlet piston valve determines the cutoff for filling the cylinder. The dependence of the expander power on the closing angle of the inlet piston valve is shown in Fig. 7. The change in power from zero to maximum is within the range of a change in the angle of 126 degrees of crankshaft rotation (c.k.v.) (Ψ = 0.1), after which power control by cutoff becomes irrational.

Существующие механизмы изменения фазы закрытия впускного органа, известные в паровых машинах, не обеспечивают оптимального регулирования. Во-первых, они изменяют одновременно с фазой закрытия и фазу открытия, причем в одном и том же диапазоне. Во-вторых, эти механизмы достаточно громоздки и сложны как в настройке, так и в управлении. Поэтому был разработан механизм изменения фазы закрытия впускного поршневого золотника в достаточно широких пределах при небольшом смещении фазы открытия. Это позволило разработать достаточно компактную систему управления детандером, органично вписав ее в габариты машины.Existing mechanisms for changing the closing phase of the intake body, known in steam engines, do not provide optimal control. Firstly, they change simultaneously with the closing phase and the opening phase, and in the same range. Secondly, these mechanisms are quite cumbersome and difficult to set up and control. Therefore, a mechanism was developed to change the closing phase of the intake piston valve within a fairly wide range with a slight shift in the opening phase. This made it possible to develop a fairly compact expander control system, organically fitting it into the dimensions of the machine.

Отличие разработанной конструкции поршневого детандера (расширительной машины) от расширительных машин транспортных силовых установок, использующих в большинстве случаев в качестве рабочего тела парогазовые смеси и применяемых в свое время в паровых машинах локомотивной техники, является раздельный привод впускных и выпускных органов, позволяющий осуществить регулирование мощности детандера при обеспечении наименьших потерь на смену рабочего тела в цилиндре.The difference between the developed design of a piston expander (expansion machine) and the expansion machines of transport power plants, which in most cases use steam-gas mixtures as a working fluid and were once used in steam engines of locomotive equipment, is the separate drive of the inlet and outlet parts, which makes it possible to regulate the power of the expander while ensuring the smallest losses for changing the working fluid in the cylinder.

Возможность использования в качестве источника энергии перепада давления газа на ГРС, потенциальная энергия которого обычно теряется в редукционных устройствах, позволяет осуществить детандерный привод различных агрегатов: генератора для выработки электроэнергии и умеренного холода, компрессора для заправки КПГ с давлением газа на входе 3,5-4 МПа и на выходе 24-25 МПа, насоса для перекачки жидкостей. Первичным энергоносителем является сжатый воздух или природный газ с давлением 4,5…10 МПа.The possibility of using the gas pressure drop at the gas distribution station as an energy source, the potential energy of which is usually lost in reduction devices, allows for an expander drive of various units: a generator for generating electricity and moderate cold, a compressor for filling CNG with an inlet gas pressure of 3.5-4 MPa and output 24-25 MPa, pump for pumping liquids. The primary energy carrier is compressed air or natural gas with a pressure of 4.5...10 MPa.

Преимуществом использования поршневых детандеров в этом случае является срабатывание больших перепадов давлений, что невозможно осуществить в турбодетандерах.The advantage of using piston expanders in this case is the operation of large pressure drops, which is impossible to achieve in turboexpanders.

Claims

1. A piston expander consisting of a cylinder block, a five-bearing crankshaft, a five-link crank mechanism, including a lever, a main connecting rod, a piston connecting rod and a crosshead, while the cylinder block is divided into sections, each of which contains a horizontal cylinder, in In the inlet part of each section there is a cylinder liner with a piston, and in the outlet part of each section there is a crosshead guide, the inlet parts of adjacent sections are rotated 180 degrees relative to each other, and the pistons of adjacent sections are located mirrored relative to each other, the gas distribution mechanism of each cylinder consists of the intake body, which is an inlet piston spool, and the exhaust bodies, which are two exhaust valves and exhaust ports located at the bottom of the cylinder liner, the intake piston spool drive mechanism consists of a front cam camshaft and a fork lever and engages with an adjusting arm with a control cam, a pressure roller is placed at the fork end of the lever, a support roller is fixed at one end of the adjusting arm, and a control cam is installed at its other end, while the fork lever is installed with the ability to rotate relative to the support roller, the exhaust valves are driven by means of cams located on the output camshaft, the front and rear parts of each cylinder are closed by the front and rear heads, respectively, and the front cam gas distribution shaft passes through the front head and the intake piston valve and its drive mechanism are located in it, the rear cam gas distribution shaft passes through the rear head and in exhaust valves are located on it, in addition, a five-bearing crankshaft is connected to each piston through a five-link crank mechanism and a flywheel is installed at one end of the five-bearing crankshaft located on one side of the cylinder block, and at the other end of the crankshaft located on the other On the side of the cylinder block, a gear is located, through which torque is transmitted from the five-bearing crankshaft to the front cam camshaft and to the rear cam camshaft.

2. A method for obtaining mechanical energy from the actuation of gas pressure, carried out in a piston expander according to claim 1, characterized in that gas is supplied from the supply line through the inlet piston valve into each cylinder of the piston expander; in the cylinder, under the action of gas pressure, the piston moves from the top dead point (TDC) to the bottom dead center (BDC), when the piston moves, the gas pressure is converted into mechanical energy due to the rotation of the crankshaft connected to the piston, when the piston moves in the cylinder until the piston reaches BDC, the inlet piston valve closes, and the exhaust parts open and gas flows from the cylinder into the exhaust line, after which the exhaust elements close, and the piston, by inertia, begins to move back to TDC, compressing the gas in the cylinder, and when approaching TDC, the inlet piston valve opens and the mentioned cycle of piston movement from TDC to BDC is repeated, while The expansion power control is carried out by changing the phases of opening and closing the inlet piston valve and the opening and closing of the exhaust bodies of the cylinders, and the control of the opening and closing moments of the inlet piston valve is carried out by changing the position of the swing axis of the fork lever relative to the support roller, while the working fluid is injected into each of cylinders is made with the possibility of changing the closing phase of the intake piston valve in a larger range than the range of changing the phase of its opening.

3. The method according to claim 2, characterized in that the gas is heated at the inlet into the inlet piston valve.

4. The method according to claim 2, characterized in that the opening phase of the intake piston valve is within 350-355 degrees of crankshaft rotation (deg. c.c.), and its closing phase is within 120-130 degrees. p.k.v.