Свободно-поршневые генераторы газа и компрессоры.

Владимир Александрович

Дорогу осилит идущий!
Откуда
Москва
Пардон, здесь вроде уже мелькал проектик, бауманцев кажется, с подвешенным поршнем.
      В сообщении №353 о нормально открытых клапанах я давал ссылку на Омский патент http://www.findpatent.ru/patent/233/2330962.html Там тоже поршень подвешен на воздушной подушке, но поршень компрессора. На это затрачивается часть его производительности. У поршня цилиндра с таким подвесом характеристики будут хуже, чем с кольцами. Прорыв газов с последствиями неизбежен. Другое дело, если прорыв газов по реализованному циклу не является критическим фактором и тепло лишь переходит в другой контур, создающий тягу в сопле. Однако, все-равно задача не так проста, как кажется. Конструкция воздушного подвеса должна быть такой, чтобы при сближении поверхностей на микронном уровне давление в воздушной прослойке возрастало, а это трудно обеспечить на круговой поверхности.
    По данному вопросу полезно изучить опыт конструирования воздушных подшипников.




   
 

georgii-2

ЗРИ В КОРЕНЬ !!!
...По данному вопросу полезно изучить опыт конструирования воздушных подшипников.
Уже писал, что когда делаю что-то материальное, зрю в анналы.
Опоры делал около четверти века назад. Таких и сегодня не делают.
 

Владимир Александрович

Дорогу осилит идущий!
Откуда
Москва
Расход исходного MP-120 определяется ходом К1 за два такта.
   Здесь правильнее сказать не "определяется", а пропорционален. Потому-что есть другие факторы, влияющие на расход.

При увеличении диаметра компрессорного поршня в два раза, мы увеличиваем расход ещё в четыре раза.
      И тут же нарушаете баланс работ по полостям СПГГ.
      К тому же, компрессорный поршень любого диаметра как элемент, напрямую создающий реактивную тягу не годится на замену вентилятора с его непрерывным и хорошо организованным потоком отбрасываемой струи. 

Сама СС останется той же, т.е. кпд остаётся на том же уровне.
    Не соответствует действительности. Достаточно сделать хотя бы прикидочные расчеты цикла СПГГ по одной из книг о них.

Какую-то часть воздуха, теперь его с избытком, стоит, как и предлагал JohnDoe, выпускать напрямую.
    Георгий, получается, что Вы хотите получить полезную внешнюю работу за счет использования части мощности рабочего цилиндра. Но СПГГ внешнюю работу совершает только за счет потенциала энергии, заключенного в его выхлопном потоке газа.
     Приведу аналогию.
     Как Вы знаете в наддувных ДВС есть механический наддув, когда крыльчатка компрессора механически связана с валом ДВС и отбирает часть его мощности, и есть турбонаддув, который использует для привода крыльчатки потенциал энергии выхлопных газов ДВС, который обычно просто "вылетает в трубу".  Представьте, что теперь мы отсоединяем выходной вал от потребителя и всю мощность ДВС, шедшую на выходной вал, передаем на крыльчатку, увеличивая расход через нее до максимально возможного предела. Тогда расход воздуха и газа через двигатель увеличится в разы и на выхлопе мы получим энергетически заряженный поток с определенной температурой и давлением, который и пускаем на, теперь уже свободную, турбину. Ее мощность и использует внешний потребитель. Причем в ней срабатывается часть тепла, которое в обычном ДВС выбрасывается в окружающую среду. Эффективность такого цикла высока и мы это наблюдали по кривой изменения адиабатного КПД ранее, где я предлагал оценить вид характеристик индикаторного и адиабатного КПД СПГГ "ЭКИП" 1МП120.

 
 

georgii-2

ЗРИ В КОРЕНЬ !!!
Георгий, получается, что Вы хотите получить полезную внешнюю работу за счет использования части мощности рабочего цилиндра. Но СПГГ внешнюю работу совершает только за счет потенциала энергии, заключенного в его выхлопном потоке газа...
Странно слышать такое.
 

Вложения

georgii-2

ЗРИ В КОРЕНЬ !!!
К тому же, компрессорный поршень любого диаметра как элемент, напрямую создающий реактивную тягу не годится на замену вентилятора с его непрерывным и хорошо организованным потоком отбрасываемой струи.
Как и ПуВРД?
 

georgii-2

ЗРИ В КОРЕНЬ !!!
Не соответствует действительности. Достаточно сделать хотя бы прикидочные расчеты цикла СПГГ по одной из книг о них.
Здесь, от давления продувки зависит только степень заполнения цилиндра. и соответственно мощность.
Падение частично компенсируется увеличением частоты циклов.
Расчёты там, вкупе с турбинной нагрузкой.
Выходите, наконец, из колеи.
 

georgii-2

ЗРИ В КОРЕНЬ !!!
Вообще, как-то странно читать, что вместо прямого снятия мощности с поршня компрессора, предлагается пропустить весь воздух через впускные и выпускные окна, тракт к турбине, турбину и уйму энергии потерять после турбины на выхлопе, потом энергию турбины пустить на вал вентилятора и потерять ещё на его кпд.

кпд СПГГ - 0.55
кпд турбины - 0.85
кпд вентилятора - 0.87
общий - 0.4 = шорох орехов.
 

Владимир Александрович

Дорогу осилит идущий!
Откуда
Москва
Странно слышать такое. 
     На рисунке изображен модельный свободно-поршневой компрессор, а не свободно-поршневой генератор газа.

Падение частично компенсируется увеличением частоты циклов. Расчёты там, вкупе с турбинной нагрузкой.
    Практическая расчетная работа помогает разобраться в существе дела и вскрывает нюансы. Далнейшие шаги будут более выверенными.

вместо прямого снятия мощности с поршня компрессора, предлагается пропустить весь воздух через впускные и выпускные окна, тракт к турбине, турбину и уйму энергии потерять после турбины на выхлопе, потом энергию турбины пустить на вал вентилятора и потерять ещё на его кпд.
      Ничего здесь странного нет, если поработать с рабочими циклами, а потом сравнить их характеристики.
      Сам термин компрессор предполагает сжатие в нем воздуха до определенного давления. Чем большая масса воздуха привлекается для создания прямой тяги, тем меньше потребная степень сжатия и требуемый диаметр компрессора будет расти до таких размеров, которые будут совершенно не приемлемы для реализации, а тип двигателя будет называться свободно-поршневым компрессором и иметь низкие основные параметры и КПД.
       СПГГ скомпонованный с турбовентилятором решает задачу высокоэффективно при наименьшей массе.




   
 

georgii-2

ЗРИ В КОРЕНЬ !!!
На рисунке изображен модельный свободно-поршневой компрессор, а не свободно-поршневой генератор газа.
А давайте по порядку.
В ответе #400 был описан по сути свободно-поршневой компрессор.
Вы сказали:
Но СПГГ внешнюю работу совершает только за счет потенциала энергии, заключенного в его выхлопном потоке газа.
В ответе #404 был приведён рисунок компрессора, о чём Вы и сказали.
Путаница.
Хотя компрессор на том рисунке, в общем-то можно назвать и газогенератором со вторым контуром - компрессором, по аналогии с ГТД.

Практическая расчетная работа помогает разобраться в существе дела и вскрывает нюансы. Далнейшие шаги будут более выверенными.
Поскольку Вы даже проектировали когда-то вертолёт с СПГГ, наверное нетрудно будет  просто показать насколько снизится мощность при данном уменьшении давления продувки и соответственно заполнения. На сколько примерно снизится вес компрессорных цилиндров и насколько снижение мощности будет компенсировано увеличением частоты циклов. Или отдадите это на откуп дилетанту?

...Чем большая масса воздуха привлекается для создания прямой тяги, тем меньше потребная степень сжатия и требуемый диаметр компрессора будет расти до таких размеров, которые будут совершенно не приемлемы для реализации, а тип двигателя будет называться свободно-поршневым компрессором и иметь низкие основные параметры и КПД... 
Приведён был пример с увеличением расхода в 20-25 раз, т.е. с тем же какой и был задан для схемы с турбовентилятором.

...а тип двигателя будет называться свободно-поршневым компрессором и иметь низкие основные параметры и КПД. 
Разве кпд зависит не от СС ?
Более того, чем меньше заполнение, тем больше расширение.
 

Владимир Александрович

Дорогу осилит идущий!
Откуда
Москва
Хотя компрессор на том рисунке, в общем-то можно назвать и газогенератором со вторым контуром - компрессором, по аналогии с ГТД.
       Газогенератором, Георгий, назвать нельзя. Газ это смесь воздуха с продуктами сгорания. Поэтому понятие "газ", если хотите, это признак, указывающий нам на то, что он прошел через рабочий цилиндр и затем смешался с продувочным воздухом. У свободно-поршневого компрессора можно контур компрессора считать вторым контуром, когда весь его поджатый воздух уходит потребителю отдельно от контура рабочего цилиндра. При этом рабочий цилиндр работает как ДВС без наддува и нуждается в отдельном поршневом продувочном насосе. По такой схеме в Советском Союзе был создан и выпускался серийно свободнопоршневой дизель-компрессор 1ДК.
      Поршневого продувочного насоса  может на быть, если в описанной выше схеме задействован отдельный турбонаддув, работающий на выхлопных газах рабочего цилиндра и питающий его сжатым в крыльчатке воздухом из атмосферы. При этом не забываем, что поршневой компрессор данного агрегата продолжает целиком работать на внешнего потребителя, будучи не связанным газодинамически с рабочим цилиндром. 
наверное, нетрудно будет просто показать, насколько снизится мощность при данном уменьшении давления продувки и соответственно заполнения. На сколько примерно снизится вес компрессорных цилиндров и насколько снижение мощности будет компенсировано увеличением частоты циклов.
      Когда вся производительность  компрессорных поршней идет во второй независимый контур, рабочий цилиндр становится безнаддувным и его мощность при этом снизится в 2,5-3 раза. В турбонаддувном варианте (например, с турбоагрегатом автомобильного типа), отмеченном выше, уменьшение составит 1,3-1,6 раза, потому что степень повышения давления в нем в три и более раз ниже чем может дать поршневой компрессор в варианте СПГГ.
       Для получения в тяговом сопле двигателя околозвуковой скорости истечения, давление сжатия в компрессоре второго контура достаточно задать близким к 2,5 атм. Для меньших скоростей истечения нужно будет выдержать интервал 1,5-2,0атм. Однако попасть в интервал степени двухконтурности 22-25 как в чистом СПГГ с турбовентилятором здесь не удастся, потому-что мощность безнаддувного рабочего цилиндра будет примерно в три раза меньше, а общая степень сжатия Е=Ек х Ец меньше в 2,5-3,0 раза.
       Диаметр компрессорных поршней двухстороннего действия получится большим или близким к интервалу соотношений 2,4-2,8, т.к. у нас более чем в два раза уменьшается конечное давление нагнетания. Поэтому масса поршней в этом случае будет больше зависеть от их конструкции, чем от диаметра.
      Допустимое количество циклов определится допустимой скоростью поршней и их реально полученной массой. С уменьшением массы возвратно-поступательно движущихся деталей весь интервал рабочих частот будет сдвигаться в сторону больших значений.
Разве кпд зависит не от СС ?
      От степени сжатия зависит индикаторный КПД рабочего цилиндра. Заполнение в нем более чем достаточное, т.к. продувка прямоточная, а она самая совершенная.
 

georgii-2

ЗРИ В КОРЕНЬ !!!
Газогенератором, Георгий, назвать нельзя. Газ это смесь воздуха с продуктами сгорания. Поэтому понятие "газ", если хотите, это признак, указывающий нам на то, что он прошел через рабочий цилиндр и затем смешался с продувочным воздухом.
А у меня с детства вбито понятие "выхлопные газы".

...У свободно-поршневого компрессора можно контур компрессора считать вторым контуром, когда весь его поджатый воздух уходит потребителю отдельно от контура рабочего цилиндра...
Обычно, у двухконтурных, есть поддув от вентилятора на вход компрессора. Чем СПГГ хуже?

...При этом рабочий цилиндр работает как ДВС без наддува и нуждается в отдельном поршневом продувочном насосе. По такой схеме в Советском Союзе был создан и выпускался серийно свободнопоршневой дизель-компрессор 1ДК.
Люди понимали, что чем меньше давление наддува и заполнение, тем больше СС и кпд.

Когда вся производительностькомпрессорных поршней идет во второй независимый контур, рабочий цилиндр становится безнаддувным и его мощность при этом снизится в 2,5-3 раза.
А при увеличении частоты циклов в три раза, останется на прежнем уровне.
Ну и если надо, никто не запрещает использовать поддув из второго контура, как у всех приличных двухконтурных ГТД.

Е=Ек х Ец
меньше в 2,5-3,0 раза. 
Если не секрет, из какого именно источника формулки берёте?
И, честно говоря, интересно какая схема СПГГ была выбрана у Вас для вертолёта в своё время.

Вывел из небытия эту чудовищную схему только чтобы показать, что увеличение расхода воздуха в СПГГ позволяет, в некоторых случаях, обойтись без всяких турбин.

Например, бескомпрессорный СПГГ есть смысл рассматривать как ПуВРД со сверхвысокой СС.

Вы, как я понял, каким-то боком относитесь к созданию БПЛА.
Бескомпрессорный СПГГ по схеме близкой к ЭКИПовской, с большим уровнем "компрессионости" спокойно бьёт данные двигателей Томагавков, только его технологичность и ресурс неизмеримо выше.

Но и это не всё. Такие СПГГ, составленные торец к торцу, отлично вписываются в крылья в качестве лонжеронов или, в случае толстого крыла, полок лонжеронов.
Такая схема позволяет оставить в жопе все западные БПЛА имея то оборудование, что осталось после игр "эффективных менеджеров".
 

Владимир Александрович

Дорогу осилит идущий!
Откуда
Москва
А у меня с детства вбито понятие "выхлопные газы".
   "Выхлопные" ассоциируется с понятием "выбрасываемые", а для СПГГ они являются рабочим телом, которому дальше предстоить отдать свой энергетический потенциал внешнему потребителю.

Обычно, у двухконтурных, есть поддув от вентилятора на вход компрессора. Чем СПГГ хуже
  Можно сделать и поддув, только все это должно быть учтено в энергетическом балансе в данном случае СПДК, а не СПГГ.
Нельзя в одном месте взять, прибавить в другое место и не отнять там, где взял. Закон сохранения энергии сохранял, сохраняет и будет сохранять свою силу всегда и везде.

чем меньше давление наддува и заполнение, тем больше СС и кпд.
       Георгий, само по себе снижение наддува не вызывает рост СС. СС выбирается, задается исходя из учета большой группы факторов. В СПДК 1ДК она была 13,5. И потом, я не понял из фразы, почему по Вашему мнению уменьшение заполнения ведет к росту СС и КПД?

А при увеличении частоты циклов в три раза, останется на прежнем уровне. 
    Само по себе увеличение частоты не является следствием уменьшения наддува. Вполне может получится так, что увеличить частоту не получится, т.к. масса поршней не уменьшилась, а движущие силы снизились и частота тоже упадет. Придется бороться за снижение массы поршней, чтобы хотя бы сохранить прежнюю частоту.

Если не секрет, из какого именно источника формулки берёте?
   Это общеизвестная формула. Общая степень сжатия многоступенчатой поршневой машины равна произведению степеней сжатия всех ступеней. Формула, как правило, присутствует во всех первоисточниках, где идет речь о многоступенчатом сжатии.

И, честно говоря, интересно какая схема СПГГ была выбрана у Вас для вертолёта в своё время.
    Выбор претерпел эволюцию. Сначала была выбрана схема СПГГ с внешними буферными полостями и компрессорными полостями двойного действия, позже более легкая и простая прямоточная схема по авторскому изобретению, о которой я здесь уже рассказывал. Сейчас остановился на еще более простой - с внешними рабочими цилиндрами и общей буферной полостью. По своему функциональному набору последня оказалась наиболее удачной для индивидуального вертолета. Она самая легкая в своем классе, технологична в изготовлении и учитывает особенности малоразмерного исполнения.

Например, бескомпрессорный СПГГ есть смысл рассматривать как ПуВРД со сверхвысокой СС.
   
Но и это не всё. Такие СПГГ, составленные торец к торцу, отлично вписываются в крылья в качестве лонжеронов или, в случае толстого крыла, полок лонжеронов.
       Завтра из книги В.К. Кошкина перенесу сюда несколько рисунков, как приложение к Вашим мыслям (надо взять дома книгу и отсканировать страницы на работе). Многое из отмеченного предлагалось еще до нас.

Бескомпрессорный СПГГ по схеме близкой к ЭКИПовской, с большим уровнем "компрессионости" спокойно бьёт данные двигателей Томагавков, только его технологичность и ресурс неизмеримо выше.
      Считаю такие заявления пока слишком поспешными. За этими словами лежит еще очень много работы и часть Ваших представлений еще поменяется.
 

georgii-2

ЗРИ В КОРЕНЬ !!!
Считаю эти заявления пока слишком поспешными. За этими словами лежит еще очень много работы и часть Ваших представлениях еще поменяется.
Всё, что здесь выкладывалось, можно было сделать и полвека назад, и ещё раньше.
Какая уж тут поспешность.
 

georgii-2

ЗРИ В КОРЕНЬ !!!
...И потом я не понял из фразы, почему по Вашему мнению уменьшение заполнения ведет к росту СС и КПД?
При меньшем заполнении, ход сжатия и соответственно расширения, больше.
Это касается доли энергии снимаемой непосредственно с поршня.
 

georgii-2

ЗРИ В КОРЕНЬ !!!
georgii-2 писал(а) Вчера :: 17:42:00:
Если не секрет, из какого именно источника формулки берёте?
======================================================
"Это общеизвестная формула. Общая степень сжатия многоступенчатой поршневой машины равна произведению степеней сжатия всех ступеней. Формула, как правило, присутствует во всех первоисточниках, где идет речь о многоступенчатом сжатии."
Собственно говоря хотел посмотреть на Ваш опорный, по СПГГ, источник, чтобы говорить на одном языке.
 

Владимир Александрович

Дорогу осилит идущий!
Откуда
Москва
Всё, что здесь выкладывалось, можно было сделать и полвека назад, и ещё раньше.
Какая уж тут поспешность. 
    Георгий, я имел ввиду Вас. Не торопитесь с выводами. Любой сложный технический вопрос требует, чтобы о нем сформировался  системный взгляд, подкрепленный знаниями и опытом других людей. Тогда смекалка будет верным помощником на пути: "Ищем простые решения актуальных задач технического прогресса"
   
 

Владимир Александрович

Дорогу осилит идущий!
Откуда
Москва
При меньшем заполнении, ход сжатия и соответственно расширения, больше. 
    Как-то не с того конца. Заполнение меньше, больше - это для данного СПГГ и для рассматриваемого режима есть константа (нерегулируемый параметр) и ход сжатия, а также ход расширения будут вполне определенными и практически равными для данной подачи топлива на цикл.
 

Владимир Александрович

Дорогу осилит идущий!
Откуда
Москва
Собственно говоря хотел посмотреть на Ваш опорный, по СПГГ, источник, чтобы говорить на одном языке. 
          Мне собственно было очень удобно работать с книгой Е.Н. Асеев, А.С. Эпштейн "Конструирование и расчет безвальных генераторов газа" Машгиз 1962г.  У авторов методически вся последовательность расчетов разложена по полочкам и сопровождается примерами реальных расчетов. Всегда можно сравнить и этим избежать многих ошибок.  Это едва ли не самая лучшая книга по СПГГ.
          Поскольку она утеряна и восстановить ее хотя бы в электронном виде пока не удается, пользуюсь  книгой В.К. Кошкин, Л.М. Майзель, Б.М. Черномордик "Свободнопоршневые генераторы газа для газотурбинных установок" Машгиз 1963г. и книгой Н.В. Пульманов "Дизель-компрессоры со свободно движущимися поршнями" Машгиз 1959г. Эти источники наиболее удачные. Я считаю их для себя опорными. Пользуюсь и другими, но значительно реже. Больше для справки или сравнения логики изложения того или иного вопроса.
      
   
 

JohnDoe

Усы-то сбрею, а умище-то куда дену? )))
Не помню, говорил или нет. Такая идея регулирования СПГГ - регулировка степенью наддува. Т.е. имеем внешний приводной нагнетатель(например, с электричеким приводом) регулируя производительность которого регулируем мощность. Надо увеличить - добавили оборотов, нужно снизить - снизили. Энергию для эл.привода получаем от генератора на валу турбины+акуммулятор(это даст теоритическую возможность использовать нагнетатель в качестве стартера). Конечно добавление эл.привода может показаться недостатком("лишняя" деталь, двойное преобразование энергии= меньший КПД и пр.), но, возможно, тут есть и свои плюсы: разрыв потока мощности, т.е. отсутсвует прямая зависимость нагнетателя от СПГГ(как в случае с механникой), что даёт бОльшую гибкость в применении, непосредственное управление с помощью электроники и пр. Конструкция может оказаться проще, т.к. отпадает необходимость в некотором кол-ве клапанов, заслонок, перепускных каналов и т.д. Это же может повлиять и на габариты, массу. Сегодня уже существуют быстроходные, мощные, маленькие бесколлекторники, позволяющие осуществить идеологию прямого привода как для эл.двигателя. так и генератора = отпадает необходимость в редукторах. Поскольку эл.двиг и генератор - обратимые эл.машины это может добавить возможностей для управления. Например, при сбросе "газа" привод нагнетателя переводится в режим генерации тормозя ротор(рекуперируя энергию в накопитель/аккумулятор/суперконденсатор). При даче "газа" уже генератор на валу турбины может быть переведён в режим эл.двигателя(с питанием от накопителя) помогая ей раскручиваться. Т.е. снизится инерционность системы. Плюс некоторое расширение компоновочных решений, т.к. отсутсвие жёсткой мех.связи позволяет большую гибкость.
Эту же идею можно применить и к ГТУ.
ИМХУ.
 

georgii-2

ЗРИ В КОРЕНЬ !!!
georgii-2 писал(а) Вчера :: 22:29:53:
При меньшем заполнении, ход сжатия и соответственно расширения, больше.
---------------------------------------------------------------------
"Как-то не с того конца. Заполнение меньше, больше - это для данного СПГГ и для рассматриваемого режима есть константа (нерегулируемый параметр) и ход сжатия, а также ход расширения будут вполне определенными и практически равными для данной подачи топлива на цикл."
Что-то опять путаница. По порядку:
Вы сказали
...По такой схеме в Советском Союзе был создан и выпускался серийно свободнопоршневой дизель-компрессор 1ДК.
Я ответил
Люди понимали, что чем меньше давление наддува и заполнение, тем больше СС и кпд.
Вы спросили
И потом, я не понял из фразы, почему по Вашему мнению уменьшение заполнения ведет к росту СС и КПД?
Я ответил
При меньшем заполнении, ход сжатия и соответственно расширения, больше.
Это касается доли энергии снимаемой непосредственно с поршня.
Здесь, на будущее, стоит задача обеспечить взаимоисключающие требования - с одной стороны надо обеспечить полноценную продувку, с другой обеспечить как можно меньшее заполнение.
Само собой, это касается тех СПД в которых главным требованием является экономичность и энергия снимается непосредственно с поршня.
 
Вверх