Двотактний лінійний генератор

1. Двотактний лінійний генератор, що містить корпус, на якому закріплені обмотки статора і дві протилежні циліндрові групи, які мають дві робочі втулки з продувальними і вихлопними вікнами, з розташованими в кожній з них двома рухливими плоскими поршнями з можливістю зворотнопоступального руху від джерела первинної енергії і сполучених попарно за допомогою штока і сполучних шпильок, на яких закріплені постійні магніти, що рухаються щодо нерухомих обмоток корпусу, який відрізняється тим, що циліндрова група за C2 2 (13) 1 3 велику і непринципову відмінність дає можливість значно спростити і здешевити рушія, якщо в його якості використовується двигун внутрішнього згорання. Відомий лінійний генератор електричної енергії (патент Росії №2051462, МПК6 Н02К35/00), що містить корпус, усередині якого закріплена кільцева електромагнітна система статора, яка виконана у вигляді намагніченого в осьовому напрямку постійного магніту і електромагнітну систему якоря у вигляді концентричних постійному магніту обмоток, встановлену на підставі і сполучену з корпусом. Підстава виконана у вигляді екрану для взаємодії з джерелом первинної енергії, виконаним у вигляді імпульсного джерела світла, розташованого в частці корпусу, відокремленій від екрану постійним магнітом. Відомий лінійний генератор електроенергії (патент Росії №2141570, МПК6 F02B71/04, Н02К35/02), в якому електроенергія генерується за допомогою електромагнітного зчеплення між нерухомими обмотками і постійними магнітами, які рухаються усередині при зворотно-поступальному русі одного або більше поршнів двотактного двигуна внутрішнього згорання. Циліндри, спарені з поршнями, мають конічну форкамеру, відкриту у напрямі циліндрів. Двигун працює із змінними ходами стискування і магніти і обмотки влаштовані так, що співвідношення між кількостями механічної енергії, використовуваної для виробництва електроенергії за два різні ходи магнітів, дорівнює співвідношенню між двома ступенями стискування, що отримуються в циліндрах відносно двох різних ходів, здійснюваних поршнями, єдиними з вказаними магнітами, помноженим на співвідношення між двома значеннями спільних ККД двигуна щодо вказаних ступенів стискування. Приведені вище генератори мають наступні недоліки. При вибуху палива в одному циліндрі, поршень зачинає свій рух. Але по законах інерції корпус зачинає рухатися в протилежну сторону. При споруді таких генераторів великої потужності створюються величезні зусилля на зсув корпусу щодо кріплень. Сфера застосування генератора звужена, оскільки генератор виробляє малопотужний однофазний струм, чого цілком вистачає для застосування таких генераторів лише в побутових цілях. Відомий також лінійний бензогенератор (Скоромець Ю.Г., „Линейный бензогенератор (дизельгенератор)", Журнал «Электротехнический рынок», жовтень-листопад, 2008 p.), що складається з корпусу, на який кріпляться котушки, і двох циліндрів, в яких розташовано два поршні. Поршні між собою закріплені штоком, на який кріпляться постійні магніти. Циліндри обмежуються циліндровою кришкою. Генерування електричного струму в лінійному бензогенераторі відбувається за рахунок переміщення постійних магнітів щодо нерухомих котушок, закріплених на корпусі. Переміщення магнітів здійснюється за рахунок зворотнопоступального руху поршнів в циліндрах. Даний генератор обраний прототипом. Прототип і винахід, що заявляється, мають наступні спільні ознаки: 92989 4 - корпус, на якому закріплені обмотки статора і дві протилежні циліндрові групи; - циліндрові групи забезпечені двома робочими втулками з продувальними і вихлопними вікнами; - втулки забезпечені рухливими поршнями з можливістю зворотно-поступального руху відносно джерела первинної енергії і сполученими попарно за допомогою штока і сполучних шпильок; - на штоках закріплені постійні магніти, що рухаються щодо нерухомих обмоток корпусу. Прототип має такі недоліки. При роботі генератора виникає вібрація корпусу. Через те, що в циліндрі всього один поршень, продування циліндра відбувається по петлі, так зване петлеве продування. При цьому коефіцієнт залишкових газів достатньо високий. При вибуху палива в одному циліндрі, поршень зачинає свій рух, але по законах інерції корпус зачинає рухатися в протилежну сторону. У генераторі створюються величезні зусилля на зсув корпусу щодо кріплень. Тому забезпечення великих потужностей в даному генераторі неможливе, через те, що не існує фундаментних кріплення, здатних витримувати такі великі осьові зусилля на зсув. Завданням винаходу є усунення вказаних недоліків, збільшення потужності генератора і розширення сфери застосування. Завданням також є здешевлення вартості споруди генератора із-за спрощення його конструкції в порівнянні з традиційними дизельгенераторами. Спочатку проект розраховувався на застосування даного генератора на судах, що у свою чергу спрощувало спільну конструкцію машинного відділення, здешевлювало споруду судна і подальше обслуговування і ремонт такого машинного відділення. Поставлене завдання вирішене в двотактному лінійному генераторі, що містить корпус, на якому закріплені обмотки статора і дві протилежні циліндрові групи, які мають дві робочі втулки з продувальними і вихлопними вікнами, з розташованими в кожній з них двома рухливими плоскими поршнями з можливістю зворотно-поступального руху від джерела первинної енергії і сполучених попарно за допомогою штока і сполучних шпильок, на яких закріплені постійні магніти, що рухаються щодо нерухомих обмоток корпусу, тим, що відповідно до винаходу, циліндрова група забезпечена додатковими зовнішніми поршнями сполученими між собою за допомогою сполучних засобів, при цьому, продувальні і вихлопні вікна розташовані симетрично в протилежних частках втулки, яка забезпечена щонайменше двома форсунками високого тиску, що мають привід від гідроакумулятора, причому втулки і поршні додатково забезпечені системою рідинного примусового охолоджування, а обмотки статора сполучені послідовнопаралельно для забезпечення трифазного струму і підключені в мережу через частотний перетворювач для вирівнювання синусоїди струму, що виробляється, крім того, генератор додатково оснащений газовим турбокомпресором повітря, який пов'язаний з ним вихлопними і повітряними магістралями. 5 Крім того, днища поршнів мають плоску конфігурацію. Крім того, форсунки високого тиску контролюються блоком електронного управління. Крім того, рух поршнів між собою синхронізується за допомогою зубчастих рейок і шестерного колеса, закріпленого на нерухомій осі. Двотактний лінійний генератор, що заявляється, представлений на кресленнях, де: Фіг.1 - подовжній розріз; Фіг.2 - принципова схема; Фіг.3 - розташування поршнів при розширенні газів; Фіг.4 - розташування поршнів при випуску газів; Фіг.5 - розташування поршнів при продуванні. Двотактний лінійний генератор містить корпус 1 (зварної сталевий, циліндричної форми), який має всередині опори 2, 3 і 4 для установки втулки 5 робочого циліндра. Втулка 5 кріпиться натискним кільцем 6 на 8-ми шпильках. Шпильки кріпляться в товстостінній фундаментної плиті 7. На втулку одягається циліндричний водяний колектор 8. Після колектора на втулку циліндра одягається газовихлопної колектор-равлик 9 і кріпиться за допомогою шпильок 10, які проходять через трубки 11 гайками 12, які створюють натискне зусилля на равлик 9 через пружини 13. На кінці втулки 5 встановлюється водяний колектор 14. Втулка 5 робочого циліндра цільна. Центральна частина втулки має потовщення так само, як і в місці кріплення втулки - гребінь 15. У центральній частині втулка має отвори для 2-х насос-форсунок 16. Так само втулка 5 має з кожної сторони від центру по 6 отворів для штуцерів лубрикаторного мастила. У втулки в центральній частині зовні зроблена циліндрична виточка для відводу та збору охолоджуючої води з тангеціальних свердлень охолоджуючих каналів 17. На втулці є 17-ть канавок для гумових ущільнювальних кілець системи охолодження. У втулки 5 з боку вихлопу і з боку продувки є тангенціально розташовані вікна 47. Двотактний лінійний генератор має силовий зварний корпус 18 і легкий корпус для забезпечення безпеки обслуговуючого персоналу. Легкий корпус закривається з торців двигуна кришками 18 на фланцях. Поршнева група лінійного генератора складається з двох поршнів 20. Внутрішній поршень кріпиться до корпусу індуктора 21 на 8-ми шпильках 22. Індуктор рухається відносно нерухомих обмоток статора 49. Зовнішній поршень кріпиться до траверс-диску 23 на 8-ми шпильках 24. Траверсадиск циліндричної форми підкріплений в радіальному напрямку трикутними косинками 25 з двох сторін, які кріпляться зварюванням. Кожний поршень має по 6 кілець: 4 компресійних і 2 масло'ємних. Щоб уникнути ударів поршнів один проти одного при високих ступенях стиснення в лінійному генераторі, днища поршнів мають плоску конфігурацію. Поршні мають водяне охолодження. Вода в зовнішні поршні подається по внутрішній телескопічній нерухомій трубці 26 з соплом на кінці. Охолоджуюча вода повертається по телескопічній 92989 6 середній трубці 27. Трубка 27 рухається в нерухомої трубці 28. Між трубками 27 і 28 є ущільнення 29. Внутрішні поршні 46 також охолоджуються водою. Вода підводиться по телескопічній трубці 30, яка кріпиться до корпусу індуктора 21 за допомогою фланця. У індуктор і в опорному фланці поршня є канал. Далі вода рухається по трубці 31 і охолоджує поршень. Повертається вода по трубці 32, з аналогічного шляху і по телескопії 33 відводиться вже підігріта. Зовнішні поршні пов'язані між собою за допомогою траверза-диску 23, 6-ох штанг 34 і корпусу індуктора 35. На кінцях штанги мають різьблення та кріпляться за рахунок гайок, які затискаються гідродомкратом. Рух внутрішніх і зовнішніх поршневих груп зрушений на 180 градусів. Синхронність забезпечується за рахунок механізму синхронізатора - 3-х шестірень 36 і 6-ох зубчастих рейок. Три рейки 37, що відносяться до внутрішньої групи, мають у частині, ближній до корпусу індуктора 21, циліндричний перетин і проходять через сальники 38. Далі перетин рейки переходить в квадратне. Рейки, що відносяться до зовнішньої групі, - це 3 з 6-ти штанг 34, на які за допомогою болтів прикріплені зубчасті рейки. Всі три механізму синхронізаторів розташовані в окремих вигородках і мають у своєму обсязі налиту олію для змащування механізму. Генератор працює таким чином. Оскільки даний лінійний генератор розрахований на вироблення великих потужностей, то пуск таких генераторів можливий тільки стислим повітрям. У генераторі на кожен циліндр встановлюється поодинці пусковому повітряному клапану (на малюнку не показан). Пропонований спосіб пуску двигунів стислим повітрям не відрізняється від існуючих способів, розроблених такими фірмами як MAN B&W, Zulcer і т.д, але відрізняється від них. У даному лінійному генераторі немає такої деталі як маховик, поршні 46 та 20 мають порівняно невелику масу, тому якщо використовувати для пуску тільки стисле повітря, то тиск стислого повітря повинен дорівнювати тиску стискування в циліндрі 48, що у свою чергу неможливе. Тому для пуску генератора використовується комбінований спосіб, що має на увазі подачу повітря в циліндр 48, і одночасну подачу електричного струму на обмотки статора 49 даного генератора. Подача струму на обмотки 49 переводить даний лінійний генератор з генераторного режиму в руховий, тим самим в циліндрі 48 буде створено необхідний тиск для займання палива, що подається. Оскільки пуск генератора проводиться за 2-3 ходи поршнів 46 та 20, то перед пуском проводитися прогрівання генератора (що і робиться в сучасних двигунах, що встановлюються на судах). Необхідність прогрівання генератора перед пуском обумовлена тим, що при стискуванні повітря температура в циліндрі 48 підвищується і для займання палива повинна досягти певного значення (для кожного палива вона своя). У тому разі якщо двигун не прогрітий, стискуване повітря буде значно відда 7 вати тепло стінкам втулки 5 і не буде досягнута температура, необхідна для займання палива. Після розгону поршнів 46 та 20 до пускової частоти, в перший циліндр подається паливо, відбувається згорання і зачинається розширення газів, що утворилися (Фіг.3). У другому циліндрі у цей момент йде стискування повітря. Досягши зовнішнього поршня 20 в першому циліндрі випускних клапанів зачинається випуск відпрацьованих газів (Фіг.4). Досягши внутрішнього поршня 46 в першому циліндрі продувальних вікон зачинається процес продування. У даному лінійному генераторі продування прямоточне, що забезпечує найменший коефіцієнт залишкових газів. Це у свою чергу збільшує масовий заряд повітря в циліндрі 48, що приводить до повного згорання палива і так далі У цей момент поршні досягають своїх крайніх положень. Розширення газів в другому циліндрі приводить в рух поршні першого циліндра. Внутрішній поршень 46 досягає продувальних вікон і перекриває їх. Тоді як вихлопні вікна все ще відкриті. Це приводить до втрати масового заряду повітря в циліндрі, але даною втратою можна нехтувати ізза низького коефіцієнта залишкових газів в циліндрі. Зовнішній поршень 20 досягає вихлопних вікон, перекриває їх, і тим самим забезпечує процес стискування в першому циліндрі, тоді як в другому йде розширення. І цикл повторюється. Причинно-наслідковий зв'язок між заявленими ознаками і технічним результатом, який досягається, полягає в наступному. У запропонованому лінійному генераторі замість кришок циліндра встановлені додаткові поршні 20 (зовнішні), які між собою сполучені жорсткими зв'язками. Зв'язки уявляють собою циліндричний диск 25, на який наварюють ребра жорсткості 26, і циліндрові шпильки 37. Всього на один диск кріпиться 6 шпильок. У результаті ми отримуємо дві зв'язки поршнів: перша - внутрішні поршні, сполучені за допомогою штока, друга зовнішні, сполучені за допомогою дисків і шпильок. При русі внутрішніх поршнів в один бік, зовнішні рухаються в протилежну сторону. За умови, що маса зовнішньої зв'язки буде рівна масі внутрішньої зв'язки сили інерцій, що зрушують корпус, будуть взаємогаситися і діяти тільки на рухливі частки лінійного генератора. У запропонованому лінійному генераторі спочатку відбувається стискування повітря, і лише досягши крайніх положень поршнів, відбувається уприскування палива в циліндр. Продування циліндра прямоточне, коефіці 92989 8 єнт залишкових газів знижується, що у свою чергу приводить до підвищення спільної ефективності лінійного генератора, і зменшення витрати палива. Запропонований лінійний генератор трифазний, з частотою струму, що виробляється, 60Гц, що дає можливість застосовувати цей генератор в промислових цілях і встановлювати його на морські судна. Зручність виробництва, ремонту та обслуговування, за рахунок зменшення спільної кількості деталей і розробленої конструкції, дозволяє за мінімальні терміни повернути пропонований генератор в робочий стан. Практично всі деталі лінійного генератора мають циліндричну форму і можуть виготовлятися на дешевих токарних верстатах. Лінійний генератор не має підшипників та розподільного вала. В наслідок цього відпадає необхідність в циркуляційної системі змащення з великим об'ємом масла в стічної цистерні і в циркуляційних насосах, які мають величезну потужність. Механічний ККД генератора вище звичайного дизель-генератора за рахунок зменшення кількості рухомих деталей та усунення таких складних і дорогих деталей як колінчатий вал і розподільний вал. Знос деталей лінійного генератора знижений за рахунок усунення радіальних сил за рахунок того, що не відбувається перетворення поступального руху на обертальний. При такому перетворенні на поршень діють радіальні сили, зміщуючи його то в один, то в інший бік тим самим зношуючи стінки втулки. У даному генераторі немає перетворення поступальної ходи на обертальне, тим самим усуваються радіальні сили. Лінійний генератор повністю динамічно врівноважений, тим самим його можна встановлювати на дуже легкі фундаменти. Рівень вібрації при цьому мінімізований. Паливна система високого тиску представляє собою тільки насос-форсунку, що дозволяє відмовитися від паливопроводу високого тиску, забезпечує відмову від розподільного вала. Впорскування палива управляється електронною системою, яку легко налаштувати і яка контролює якість впорскування. Вирішення проблем паливної системи високого тиску зводиться до дуже швидкої заміни насос-форсунки. Таким чином двотактний лінійний генератор відрізняється ширшою сферою застосування, підвищеною потужністю, економічністю і експлуатаційною надійністю. 9 92989 10 11 Комп’ютерна верстка Н. Лиcенко 92989 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601