RU2545259C1 - Method of gradual gas compression by group of free pistons with pistons opposite movement power module connected with pistons of gas compressors - Google Patents

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: method of gases gradual compression by group of free piston with pistons opposite movement compressors with pistons drive by gases energy from outside combustion chamber of double cylinder free piston with pistons opposite movement power module comprising the outside combustion chamber, power module pistons and connected with them compressor pistons, the combustion products entering from the outside combustion chamber of the power module in cavities of the power module pistons ensure oscillating movement of the power module pistons and of the connected with them compressor pistons, gas is compressed by the compressor pistons of the first compression stage, and compressed gas is supplied for suction and further compression by compressor of the second gas compression stage that differs from the compressor of the first compression stage by lesser area of the compressor pistons, from here it is similarly supplied for suction and compression by the compressor of the nest gas compression stage, which pistons area is lesser then pistons area of the previous compressor.

EFFECT: higher specific efficiency.

1 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.The closest prototype of the claimed invention "Method for synchronizing the movement of pistons of a twin twin-cylinder free-piston power module", patent 2441993.

Реферат к патенту 2441993. «Изобретение относится к области энергомашиностроения. В способе синхронизации движения поршней спаренного двухцилиндрового свободнопоршневого энергомодуля, включающего систему управления и два единичных однотактных свободнопоршневых энергомодуля с оппозитным движением поршней, система управления спаренного энергомодуля отслеживает значение скоростей поршней единичных энергомодулей и, если скорости их поршней не равны, система управления переводит газораспределительный клапан единичного энергомодуля, скорость поршней которого больше скорости поршней другого единичного энергомодуля, в противоположное положение, в результате этот единичный энергомодуль прекращает преобразовывать энергию расширяющихся продуктов сгорания в механическую энергию движения поршней на время, обеспечивающее одновременность прибытия поршней обоих единичных энергомодулей в точки схождения или расхождения, после чего система управления переводит газораспределительный клапан в исходное положение. Изобретение обеспечивает нейтрализацию вибрации поршней и их синхронное движение в противофазе».Abstract to patent 2441993. “The invention relates to the field of power engineering. In a method for synchronizing the movement of pistons of a twin two-cylinder free-piston energy module, including a control system and two single-cycle free-piston energy modules with opposed piston movement, the control system of a paired energy module monitors the speeds of the pistons of single energy modules and, if their pistons are not equal in speed, the valve control system transfers whose piston speed is greater than the piston speed of another unit energy mode la, to the opposite position, as a result of the unit power module stops converting the energy of expanding combustion products in the mechanical energy of piston motion at the time of arrival provides both pistons both single power module in terms of convergence or divergence, whereupon the control system takes the gas control valve to its original position. The invention provides the neutralization of the vibration of the pistons and their synchronous movement in antiphase. "

ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯOBJECT OF THE INVENTION

Современный ступенчатый компрессор газа, как правило, представляет собой агрегат в составе блока цилиндров с поршнями, приводимыми в движение через коленвал двигателем внутреннего сгорания или электродвигателем с вращающимся ротором. Диаметры (площади) поршней от цилиндра, в котором происходит начальное сжатие газа, последовательно уменьшаются и, следовательно, давление на выходе сжимаемого в каждом последующем цилиндре газа возрастает обратно пропорционально убыванию площадей поршней. Цель заявленного изобретения состоит в создании экономичного агрегата со ступенчатым сжатием газа и высокой удельной производительности.A modern step-type gas compressor, as a rule, is an assembly consisting of a cylinder block with pistons driven through a crankshaft by an internal combustion engine or an electric motor with a rotating rotor. The diameters (areas) of the pistons from the cylinder in which the initial compression of the gas occurs are successively reduced and, therefore, the pressure at the outlet of the gas compressed in each subsequent cylinder increases inversely with the decrease in the areas of the pistons. The purpose of the claimed invention is to create an economical unit with step compression of gas and high specific productivity.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Ступенчатый способ сжатия газа заключается в последовательном сжатии газа несколькими свободнопоршневыми компрессорами с приводом их поршней энергией газов из внешней камеры сгорания двухцилиндрового свободнопоршневого с оппозитным движением поршней энергомодуля.The step-by-step method of gas compression is the sequential compression of gas by several free piston compressors with the drive of their pistons by the energy of gases from the external combustion chamber of a two-cylinder free piston with the opposite movement of the pistons of the energy module.

Компрессор состоит из свободнопоршневого двухцилиндрового энергомодуля с внешней камерой сгорания, поршневые группы которого соединены с поршнями компрессора. Действует компрессор следующим образом. Система управления компрессором подает во внешнюю камеру сгорания 1 (см. фиг., система управления не показана) топливо форсункой 2 и воспламеняет свечой зажигания 3. Продукты сгорания из камеры сгорания 1 по трубопроводу 4 через впускной клапан 5 поступают в правую (по фигуре) полость поршня 6, а через впускной клапан 7 в левую полость поршня 8, и под действием поступающих продуктов сгорания поршни начинают расходиться. Так как площадь правой поверхности поршня 6 больше площади его левой поверхности на разность площадей поперечного сечения штоков 9 и 10, то давление сжимаемого в левой полости поршня 6 воздуха будет больше, чем давление продуктов сгорания в его правой полости. Поэтому воздух из левой полости поршня 6 через обратный клапан 11 по трубопроводу 12 подается во внешнюю камеру сгорания 1. Туда же форсункой 2 впрыскивается очередная доза топлива. Одновременно через обратный клапан 13 из атмосферы засасывается воздух в правую полость поршня 14, а из его левой полости через выпускной клапан 15 воздух (в дальнейшем отработавшие продукты сгорания) выбрасываются в атмосферу. Аналогично по тем же причинам при движении поршня 8 сжимаемый в его правой полости воздух через обратный клапан 16 по трубопроводу 12 подается во внешнюю камеру сгорания 1. Через обратный клапан 17 из атмосферы засасывается воздух в левую полость поршня 18, а из его правой полости через выпускной клапан 19 воздух (в дальнейшем отработавшие продукты сгорания) выбрасывается в атмосферу. После достижения поршнями точек крайнего расхождения система управления переводит впускные клапаны 5, 7, 20, 21 и выпускные клапаны 15, 19, 22, 23 в противоположные положения. Теперь продукты сгорания из внешней камеры сгорания 1 по трубопроводу 4 через впускной клапан 20 поступают в левую полость поршня 14 и через впускной клапан 21 в правую полость поршня 18, и поршни начинают сходиться. Через обратные клапаны 24 и 25 сжимаемый в правой полости поршня 14 и в левой полости поршня 18 воздух по трубопроводу 12 поступает во внешнюю камеру сгорания 1. Туда же форсункой 2 впрыскивается очередная доза топлива. Через обратные клапаны 26 и 27 из атмосферы засасывается воздух в левую полость поршня 6 и правую полость поршня 8. Из правой полости поршня 6 через выпускной клапан 22 и из левой полости поршня 8 через выпускной клапан 23 воздух (в дальнейшем отработавшие продукты сгорания) выбрасывается в атмосферу. Одновременно в цилиндрах компрессора происходит сжатие различных газов - основная функция компрессора. Сжимаемый в левой полости поршня 28 газ через выпускной клапан 29 по трубопроводу 30 поступает в радиатор 31, где охлаждается, и затем оттуда в ресивер 32, а через обратный клапан 33 газ от источника сжимаемого газа засасывается в его правую полость. Соответственно сжимаемый в правой полости поршня 34 газ через выпускной клапан 35 также по трубопроводу 30 поступает в радиатор 31, где охлаждается, и затем оттуда в ресивер 32, а через обратный клапан 36 газ от источника сжимаемого газа засасывается в его левую полость. По достижению поршнями крайних точек расхождения система управления переводит выпускные клапаны 29, 35, 37, 38 в противоположные положения. Теперь сжимаемый в правой полости поршня 28 газ через выпускной клапан 37 по трубопроводу 30 поступает в радиатор 31, где охлаждается, и затем оттуда в ресивер 32, а через обратный клапан 39 газ от источника сжимаемого газа засасывается в его левую полость. Сжимаемый в левой полости поршня 34 газ через выпускной клапан 38 по трубопроводу 30 также поступает в радиатор 31, где охлаждается, и затем оттуда в ресивер 32, а через обратный клапан 40 газ от источника сжимаемого газа засасывается в его правую полость. Сжатый таким образом в компрессоре газ из ресивера 32 по трубопроводу 41 подается потребителю. Как только давление в ресивере 32 достигнет максимального значения компрессора первой ступени сжатия, система управления включает компрессор второй ступени сжатия газа, газ к которым поступает из ресивера 32 по трубопроводу 41. Принцип действия компрессора второй ступени сжатия идентичен таковому компрессора первой ступени. Сжимаемый в компрессоре второй ступени газ поступает потребителю или компрессору очередной ступени сжатия. Площадь рабочих поверхностей поршней компрессора второй ступени меньше площади рабочих поверхностей поршней компрессора первой ступени. Следовательно, максимальное давление газа в компрессоре второй ступени сжатия газа по отношению к максимальному давлению в компрессоре первой ступени сжатия газа обратно пропорционально площадям рабочих поверхностей поршней первого и второго компрессоров. The compressor consists of a free-piston two-cylinder power module with an external combustion chamber, the piston groups of which are connected to the compressor pistons. The compressor operates as follows. The compressor control system delivers fuel to the external combustion chamber 1 (see Fig., The control system is not shown) by the nozzle 2 and ignites the spark plug 3. The combustion products from the combustion chamber 1 through the pipe 4 through the inlet valve 5 enter the right (according to the figure) cavity piston 6, and through the inlet valve 7 into the left cavity of the piston 8, and under the action of incoming combustion products, the pistons begin to diverge. Since the area of the right surface of the piston 6 is greater than the area of its left surface by the difference in the cross-sectional area of the rods 9 and 10, the pressure of the air compressed in the left cavity of the piston 6 will be greater than the pressure of the combustion products in its right cavity. Therefore, air from the left cavity of the piston 6 through the non-return valve 11 through a pipe 12 is supplied to the external combustion chamber 1. The next dose of fuel is injected there by the nozzle 2. At the same time, air is drawn into the right cavity of the piston 14 from the atmosphere through a non-return valve 13, and air (hereinafter exhausted combustion products) is released into the atmosphere from its left cavity through an exhaust valve 15. Similarly, for the same reasons, when the piston 8 moves, the air compressed in its right-hand cavity through the check valve 16 is piped 12 to the external combustion chamber 1. Through the check valve 17, air is sucked into the left-hand cavity of the piston 18 from the atmosphere, and from the right-hand cavity through the exhaust valve 19 air (hereinafter exhaust combustion products) is released into the atmosphere. After the pistons reach the extreme divergence points, the control system translates the intake valves 5, 7, 20, 21 and exhaust valves 15, 19, 22, 23 into opposite positions. Now, the combustion products from the external combustion chamber 1 through the pipe 4 through the inlet valve 20 enter the left cavity of the piston 14 and through the inlet valve 21 into the right cavity of the piston 18, and the pistons begin to converge. Through the check valves 24 and 25, the air compressed in the right-hand cavity of the piston 14 and in the left-hand cavity of the piston 18 passes through a pipe 12 to the external combustion chamber 1. The next dose of fuel is injected there by the nozzle 2. Through the check valves 26 and 27, air is drawn in from the atmosphere into the left piston cavity 6 and the right piston cavity 8. From the right piston cavity 6 through the exhaust valve 22 and from the left piston cavity 8 through the exhaust valve 23, air (hereinafter exhausted combustion products) is discharged into the atmosphere. At the same time, various gases are compressed in the compressor cylinders - the main function of the compressor. Compressed gas in the left cavity of the piston 28 through the exhaust valve 29 through a pipe 30 enters the radiator 31, where it is cooled, and then from there to the receiver 32, and through the check valve 33 the gas from the source of compressible gas is sucked into its right cavity. Accordingly, the gas compressed in the right cavity of the piston 34 through the exhaust valve 35 also passes through the pipe 30 to the radiator 31, where it is cooled, and then from there to the receiver 32, and through the check valve 36, the gas from the source of the compressed gas is sucked into its left cavity. When the pistons reach the extreme points of divergence, the control system translates the exhaust valves 29, 35, 37, 38 into opposite positions. Now, the gas compressed in the right cavity of the piston 28 through the exhaust valve 37 through a pipe 30 enters the radiator 31, where it is cooled, and then from there to the receiver 32, and through the check valve 39, the gas from the source of compressible gas is sucked into its left cavity. The gas compressed in the left cavity of the piston 34 through the exhaust valve 38 also passes through the pipe 30 to the radiator 31, where it is cooled, and then from there to the receiver 32, and through the check valve 40, the gas from the source of compressible gas is sucked into its right cavity. Thus compressed in the compressor gas from the receiver 32 through the pipe 41 is supplied to the consumer. As soon as the pressure in the receiver 32 reaches the maximum value of the compressor of the first stage of compression, the control system includes a compressor of the second stage of gas compression, the gas to which flows from the receiver 32 through line 41. The principle of operation of the compressor of the second stage of compression is identical to that of the compressor of the first stage. The gas compressed in the compressor of the second stage enters the consumer or the compressor of the next compression stage. The area of the working surfaces of the pistons of the compressor of the second stage is less than the area of the working surfaces of the pistons of the compressor of the first stage. Therefore, the maximum gas pressure in the compressor of the second stage of gas compression with respect to the maximum pressure in the compressor of the first stage of gas compression is inversely proportional to the areas of the working surfaces of the pistons of the first and second compressors.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Ступенчатый способ сжатия газа группой свободнопоршневых с оппозитным движением поршней компрессорами с приводом их поршней энергией газов из внешней камеры сгорания двухцилиндрового свободнопоршневого с оппозитным движением поршней энергомодуля, включающего внешнюю камеру сгорания, поршни энергомодуля и соединенные с ними поршни компрессора, отличающийся тем, что поступающие из внешней камеры сгорания энергомодуля в полости поршней энергомодуля продукты сгорания приводят в колебательное движение поршни энергомодуля и соединенные с ними поршни компрессора, сжимают газ поршнями компрессора первой ступени сжатия и подают сжатый газ для всасывания и последующего сжатия газа компрессором второй ступени сжатия газа, отличающийся от компрессора первой ступени сжатия меньшей площадью поршней компрессора, откуда таким же образом подается для всасывания и сжатия компрессором следующей ступени сжатия газа, площади поршней которого также меньше площади поршней предыдущего компрессора.A step-by-step method of gas compression by a group of free-piston compressors with opposed pistons with gas driven by the energy of gases from an external combustion chamber of a two-cylinder free piston with opposed pistons of an energy module, including an external combustion chamber, power module pistons and compressor pistons connected to them, characterized in that they come from an external compressor combustion chambers of the energy module in the cavity of the pistons of the energy module the combustion products drive the pistons of the energy module into oscillatory motion and are connected the compressor pistons that are attached to them, compress the gas with the pistons of the compressor of the first compression stage and supply compressed gas for suction and subsequent compression of the gas by the compressor of the second gas compression stage, which differs from the compressor of the first compression stage in a smaller area of the compressor pistons, from where it is supplied for compressor suction and compression the next stage of gas compression, the area of the pistons of which is also smaller than the area of the pistons of the previous compressor.

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.The costs of R&D and production of the claimed invention cannot differ significantly from those in the design and development of classical compressors.

ГРАФИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛGRAPHIC MATERIAL

Фигура. Принципиальная схема свободнопоршневого с оппозитным движением поршней энергомодуля, соединенных с поршнями компрессора сжатия газов.Figure. Schematic diagram of a free piston with opposed movement of the pistons of the energy module connected to the pistons of a gas compression compressor.

1 - внешняя камера сгорания; 2 - форсунка; 3 - свеча зажигания; 4, 12, 30, 41 - трубопровод; 5, 7, 20, 21 - впускной клапан; 6, 8, 14, 18, 28, 34 - поршень; 9, 10 - шток; 11, 13, 16, 17, 24, 25, 26, 27, 33, 36, 39, 40 - обратный клапан; 15, 19, 22, 23, 29, 35, 37, 38 - выпускной клапан; 31 - радиатор; 32 - ресивер.1 - external combustion chamber; 2 - nozzle; 3 - spark plug; 4, 12, 30, 41 - pipeline; 5, 7, 20, 21 - inlet valve; 6, 8, 14, 18, 28, 34 — piston; 9, 10 - stock; 11, 13, 16, 17, 24, 25, 26, 27, 33, 36, 39, 40 - non-return valve; 15, 19, 22, 23, 29, 35, 37, 38 - exhaust valve; 31 - a radiator; 32 - receiver.

Claims (1)

Ступенчатый способ сжатия газа группой свободнопоршневых с оппозитным движением поршней компрессорами с приводом их поршней энергией газов из внешней камеры сгорания двухцилиндрового свободнопоршневого с оппозитным движением поршней энергомодуля, включающего внешнюю камеру сгорания, поршни энергомодуля и соединенные с ними поршни компрессора, отличающийся тем, что поступающие из внешней камеры сгорания энергомодуля в полости поршней энергомодуля продукты сгорания приводят в колебательное движение поршни энергомодуля и соединенные с ними поршни компрессора, сжимают газ поршнями компрессора первой ступени сжатия и подают сжатый газ для всасывания и последующего сжатия газа компрессором второй ступени сжатия газа, отличающийся от компрессора первой ступени сжатия меньшей площадью поршней компрессора, откуда таким же образом подается для всасывания и сжатия компрессором следующей ступени сжатия газа, площади поршней которого также меньше площади поршней предыдущего компрессора. A step-by-step method of gas compression by a group of free-piston compressors with opposed pistons with gas driven by the energy of gases from an external combustion chamber of a two-cylinder free piston with opposed pistons of an energy module, including an external combustion chamber, power module pistons and compressor pistons connected to them, characterized in that they come from an external compressor combustion chambers of the energy module in the cavity of the pistons of the energy module the combustion products drive the pistons of the energy module into oscillatory motion and are connected the compressor pistons that are attached to them, compress the gas with the pistons of the compressor of the first compression stage and supply compressed gas for suction and subsequent compression of the gas by the compressor of the second gas compression stage, which differs from the compressor of the first compression stage in a smaller area of the compressor pistons, from where it is supplied for compressor suction and compression the next stage of gas compression, the area of the pistons of which is also smaller than the area of the pistons of the previous compressor.