Свободно-поршневые генераторы газа и компрессоры.

[Владимир Александрович]

Как я понял, двухступенчатость сжатия реализуется благодаря сопротивлению впускного-выпускного трактов,
турбины и определённому объёму мёртвой зоны К2. 

Сама по себе двухступенчатость сжатия не может возникнуть благодаря сопротивлению впускного-выпускного трактов. Она обеспечена конструкцией - две компрессорные полости соединены последовательно и, как Вы правильно отметили, выбран определенный объем мертвой зоны К2. Сопротивление же впускного-выпускного тракта задает характеристику сжатия по давлению нагнетания. Если давление в тракте за компрессором мало, то и компрессор будет нагнетать давление несколько превышаеющее его на величину сопротивления нагнетательных клапанов. И наоборот, если велико, потребляемая работа компрессорных полостей возрастает и в тракт нагнетается высокое давление.

При этом желательно, чтобы мёртвая зона К1 была как можно меньше.

Да, правильно. От этого зависит производительность и объемный КПД полости. Но здесь есть ограничение. Когда поршни цилиндра сгорания сведены до касания, между поршнями компрессора и стенкой корпуса должен оставаться зазор.
Поэтому в условиях реальной работы СПГГ минимальное мертвое пространство в К1 не получается меньше 10-12%. Иначе возможны удары о стенку при пуске СПГГ.

Интересно знать, рассматривался ли авторами вариант с цельным компрессорным цилиндром, клапанами в торцах и перепускными в поршнях? Для более лучших условий компрессионных уплотнений.

  Эти решения частями реализовывались в некоторых моделях СПГГ. Клапаны в торцах были в СПГГ с внешними и с двухсторонними компрессорными полостями. Проходная площадь клапанов в торцах больше и значит сопротивление меньше. На цилиндрической поверхности удается расположить клапаны меньшей площади.  Перепускных клапанов в поршне между двумя полостями раньше небыло, потому что небыло СПГГ с двухступенчатым сжатием. Это, кстати, был один из элементов авторского изобретения по приведенной здесь схеме. Единственный недостаток - затрудненный подход для осмотра и обслуживания. Надо снимать торцевые крышки. В малоразмерных СПГГ это не является сложной операцией. Зато конструкция получается компактной и таких перепускных труб сбоку и двух рядов перепускных клапанов на боковой поверхности цилиндров как в СПГГ 1МП120 нет. Конструкция значительно упрощается.

Здесь, возможно, возникнет проблема с пропускной способностью клапанов, а с другой, появится возможность уменьшить толщину поршней и длину цилиндров для уменьшения веса, допустим, в авиационном варианте.

Пропускная способность клапанов в поршне более чем достаточна, даже в присутствии мест крепления механизма синхронизации. Продольный габарит действительно уменьшается, но массу поршней надо подбирать с учетом нужного диапазона режимов работы. Инерция поршней в СПГГ играет большую роль. Об этом я уже писал.

Хотя, честно говоря, мне больше нравится для авиационного применения их (ЭКИПа) СПД ПТД92.

   Нравится, понятно, куда уж проще. Но Вы обратили внимание на главные недостатки. Ни нужного ресурса, ни нормального устойчивого управления.  Это тот случай, когда предельная простота не позволит создать нормальную силовую установку. Стоит, конечно, попробовать, но шансов мало. Даже с запуском проблемы. Перспектива - однорежимный агрегат.

 

 

[georgii-2]

Сама по себе двухступенчатость сжатия не может возникнуть благодаря сопротивлению впускного-выпускного трактов. Она обеспечена конструкцией - две компрессорные полости соединены последовательно и, как Вы правильно отметили, выбран определенный объем мертвой зоны К2.

Согласен, возможно правильнее было бы написать - степень двухступенчатости.

...Единственный недостаток - затрудненный подход для осмотра и обслуживания. Надо снимать торцевые крышки... 

Как вариант, обеспечить доступ к поршневым клапанам снятием торцевых клапанов.

Нравится, понятно, куда уж проще. Но Вы обратили внимание на главные недостатки. Ни нужного ресурса, ни нормального устойчивого управления.Это тот случай, когда предельная простота не позволит создать нормальную силовую установку.

Значит эта недостаточно проста  🙂.
Всегда полагал, что безкомпрессорный вариант должен быть в разы легче обычного и вот вполне конкретная таблица параметров, см. внизу.
И ведь это далеко не предельное количество циклов, колечки всё таки держат, прав был JohnDoe. Не решена, оказывается, совсем проблема таких уплотнений.
Ну и, увы, попотеть над "малыми оборотами" так никто и не захотел.
Так что всё ещё "нетоптанный" край в сём направлении.

 

[Владимир Александрович]

Всегда полагал, что безкомпрессорный вариант должен быть в разы легче обычного и вот вполне конкретная таблица параметров, см. внизу.

    Средняя скорость поршня 127м/с - утопия для ресурсной установки. Этот вариант скорее всего для ракеты с циклом жизни несколько минут.
     Проблема запуска и регулирования Вас замучают. Авиационный вариант 1МП120 с его данными в таблице смотрится гораздо убедительнее. А если учесть те упрощения, о которых здесь уже шла речь, может быть создана отличная силовая установка для летательного аппарата, причем с большими резервами на развитие.
      Вот где, по моему мнению, есть место для подвига нашей молодежи. Это была бы прорывная разработка, потому-что агрегат вырабатывающий энергетически насыщенное рабочее тело и агрегат срабатывающий энергию этого тела соединены только газовой связью. Поршневая машина не имеет ограничений по давлению сгорания а рабочем цилиндре.  Турбина получает газ умеренной температуры и может иметь очень большой ресурс.
 

 

[georgii-2]

Средняя скорость поршня 127м/с - утопия для ресурсной установки. Этот вариант скорее всего для ракеты с циклом жизни несколько минут. 

В чём именно, сегодня, заключается утопичность этого?
Уточните, пожалуйста.

 

[Владимир Александрович]

В чём именно, сегодня, заключается утопичность этого?

     В том, что жидкостное трение при таких скоростях невозможно. Пара трения будет работать всухую. Не существует таких материалов для пары трения, которые могли бы долго работать в условиях сухого трения, да еще в присутствии высоких давлений и температур от процесса сгорания топлива. Это значит, что сразу после запуска и выхода на режим такой двигатель будет быстро разрушаться от роста сил трения и выделяющейся при этом теплоты.

 

[georgii-2]

Спасибо.
Сухое трение не страшно аппартам на воздушной подушке, экранопланам и датчикам на жёстком диске Вашего и всех остальных компов. Вот в этом направлении и надо смотреть, а уж ресурс у них...
Простое лабиринтное не пройдёт, надо кое-что иное для такого решения, но игра стоит свеч.

 

[Владимир Александрович]

Простое лабиринтное не пройдёт, надо кое-что иное для такого решения, но игра стоит свеч. 

    Слишком оптимистично. Двигатель из очень простого может превратиться в недостижимую мечту. Мне думается игра не стоит свеч.
Можете попробовать, но только хорошо взвесив свои шансы.

 

[JohnDoe]

Простое лабиринтное не пройдёт, надо кое-что иное для такого решения, но игра стоит свеч. 

Как раз лабиринты на таких скоростях уже могут оказаться вполне себе выгодными, т.к. скорость перемещения поршня приближается к скорости распространяения волны давления(скорости звука), а это приведёт к значительному снижению утечек/потерь давления. Трудности будут при центрировании поршней/штоков/етц., но и тут возможны варианты. например эл.магнитный/магнитный подвес(если будут соответсвующие материалы), либо упоминавшийся где-то(вроде в теме бесшатунников) воздушный подвес - выдув воздуха через отверстия в боковинах/юбке поршней. Последний вариант для СПГГ, в котором воздуха/газа - вагон, может оказаться очень перспективным. Особенно учитывая, что данный метод может также частично решить проблему отвода тепла от поршней.
ИМХУ.
ЗЫ. Владимир Александрович, Вы получили мои писульки по поводу способа охлаждения турбины? Чего-то ответа я не получал. :-?

 

[ura]

Простое лабиринтное не пройдёт, надо кое-что иное для такого решения, но игра стоит свеч. 

Как раз лабиринты на таких скоростях уже могут оказаться вполне себе выгодными, т.к. скорость перемещения поршня приближается к скорости распространяения волны давления(скорости звука), а это приведёт к значительному снижению утечек/потерь давления. Трудности будут при центрировании поршней/штоков/ет
именно. а главное такие варианты уже реализованы - тут и теоретизировать не надо. кроме того есть "активные" лабиринтные уплотнения где перенаправляется поток газа - они очень эффективны. а центровка поршней- для гидронасоса решается плунжерным гидроцилиндром. для ген. газа- может подшипниками продольного перемещения? расматривал, там есть вариант высокоточный скольжения по направляющей. но уже получается "лишняя" деталь.. 🙂

 

[Андрей Миллер]

возможны варианты. например эл.магнитный/магнитный подвес(если будут соответсвующие материалы),

Если такие материалы появятся, то ДВС в обсуждаемых видах будет уже не нужен. ;D

 

[Владимир Александрович]

Владимир Александрович, Вы получили мои писульки по поводу способа охлаждения турбины? Чего-то ответа я не получал.

   Вячеслав, я ничего  не получил. У меня была чистка почты. Может быть поэтому?
Повторите пожалуйста свое сообщение. Если способ не мудреный и в литературу залезать не надо, постараюсь вечером ответить.
 

 

[JohnDoe]

Повторите пожалуйста свое сообщение. Если способ не мудреный и в литературу залезать не надо, постараюсь вечером ответить.

Повторил. Если не получите, скинте в личку е-майл, мжет он у Вас поменялся.

 

[georgii-2]

...Авиационный вариант 1МП120 с его данными в таблице смотрится гораздо убедительнее. А если учесть те упрощения, о которых здесь уже шла речь, может быть создана отличная силовая установка для летательного аппарата, причем с большими резервами на развитие...

Согласен, в этой схеме нет ничего неизвестного, остаётся только "вылизать", сделать и испытать. Только кто бы это сделал, не пойму что с ЭКИПом, у них нет новостей на сайте с марта. Может уже придушили?

Двигатель из очень простого может превратиться в недостижимую мечту.

Никто пока не знает, что из этого выйдет..., но никто и не мешает помечтать, выигрыш-то в разы!

...есть "активные" лабиринтные уплотнения где перенаправляется поток газа - они очень эффективны...

Выложите, пожалуйста инфу по ним, если не трудно.

Относительно воздушной подвески, инфа навскид - http://www.sonatec.ru/index.php?page=zenith_too
ясно, что точность такого типа подвесок более чем достаточна для поршней СПГГ.

 

[Владимир Александрович]

не пойму что с ЭКИПом, у них нет новостей на сайте с марта. Может уже придушили?

  Активность спала. Плохой знак. Или вообще никак с финансами или хроническое недофинансирование. Даже опытную установку СПГГ 1МП120 не построили. Видимо так и не нашли надежного заказчика.

Никто пока не знает, что из этого выйдет..., но никто и не мешает помечтать, выигрыш-то в разы! 

Мечтать никто не запрещает, но всему есть начало и есть конец. Когда-то надо начинать работать с реальностью. Например, лабиринтное уплотнение между двумя компрессорными полостями можно и выгодно использовать для регулирования на переменных режимах, когда необходимо уменьшать их производительность. Однако в самом цилиндре сгорания с поршнем, летающим по пол метра в обе стороны, лабиринтное уплотнение однозначно не обеспечит герметичность на малых скоростях. Значит минимальный режим будет с высоким порогом границы устойчивой работы. Сам лабиринт, наверное должен иметь вид сот с индивидуальным подводом воздуха повышенного давления или с эффективной задержкой прорывающегося из КС потока. И так далее и тому подобное. Без накопления опыта и экспериментальных проверок нечего даже и надеяться на успех.
   

Согласен, в этой схеме нет ничего неизвестного, остаётся только "вылизать", сделать и испытать.

   Схема СПГГ подобная 1МП120 - это более надежный и результативный путь в котором на самом деле будет много нового и интересного. Одна задача снижения массы до авиационных требований может дать блестящие результаты. Корпусные оболочки современных ГТД сваривают из тонких стальных листов и добиваются высокой точности формы. Точно также и СПГГ можно составлять из тонких стальных сварных оболочек и получать очень легкие конструкции на уровне, конкурентном с ГТД.

 

[JohnDoe]

кроме того есть "активные" лабиринтные уплотнения где перенаправляется поток газа - они очень эффективны.

Это типа каналов в днище поршня через которые отводится газ из цилиндра в канавку для создания противодавления?
Думал над подобным, но тут есть тоже проблемы: высокая теплонапряжённость этих каналов/канавок т.к. по ним будет течь газ с некислой температурой помноженной на скорость, далее, сначала на выход пойдёт ещё невоспламенивщаяся смесь, т.к. в дизеле фиг знает где произойдёт воспламенение, а в бензинке оное произойдёт возле свечи, которая точно не находиться вблизи днища поршня(хотя данный момент может частично скомпенсировать первую проблемму), высокая скорость течения значительно увеличит процент потерь в стенки, но одновременно может повысить полноту сгорания одна из причин - снижение вероятности затухания горения у "холодной" стеки цилиндра, вторая - усиление вихреобразования в цилиндре. Было бы интересно рассмотреть вариант когда сгорание начинается на поршне, тогда, при применении данных уплотнений можно существенно снизить время протекания фазы сгорания(по вышеозвученным причинам)

для ген. газа- может подшипниками продольного перемещения? расматривал, там есть вариант высокоточный скольжения по направляющей. но уже получается "лишняя" деталь.

Для скольжения 127 м/с утопия, загнётся сие очень быстро, ВА тут стопроцентно прав.
ИМХУ

 

[ura]

Точно также и СПГГ можно составлять из тонких стальных сварных оболочек и получать очень легкие конструкции на уровне, конкурентном с ГТД. [/quo
можно добавить- есть также новые полимерные конструкционные материалы, кот. можно просто формовать. при очень низком уд. весе и высокой прочности они выдерживают высокие температуры. и цена не высока. из них даже шатуны делали.

 

[georgii-2]

Активность спала. Плохой знак. Или вообще никак с финансами или хроническое недофинансирование. Даже опытную установку СПГГ 1МП120 не построили. Видимо так и не нашли надежного заказчика.

И не найдут. У оккупантов много способов гасить "выскочек":
http://partizzan1941.ucoz.ru/load/novosti_i_politika/beseda_s_evgeniem_fjodorovym_18_ijulja/14-1-0-11604
Один из реальных путей подняться, делать дешёвейшие бензогенераторы, мотоблоки для населения, работающие на любом дерьме, т.е. обойтись без откатного заказчика.

Значит минимальный режим будет с высоким порогом границы устойчивой работы. Сам лабиринт, наверное должен иметь вид сот с индивидуальным подводом воздуха повышенного давления или с эффективной задержкой прорывающегося из КС потока

Да, где-то так, но есть и другие решения позволяющие ещё снизить этот порог. Потом не забывайте, что при лабиринтном повысится верхний порог, т.е. диапазон режимов всё таки будет увеличен. Кроме того, давно существуют пластики с температурой около тысячи градусов. Видел когда-то статью с фотографией где лектор грел чайник на электроплитке через пластиковую плёнку, т.е. композитные вкладыши на базе таких пластиков - ещё одно направление.

Схема СПГГ подобная 1МП120 - это более надежный и результативный путь в котором на самом деле будет много нового и интересного. 

Да, и здесь не грех будет попробовать хотя бы в компрессорах кольца с П-образным профилем (перекладиной внутрь) для снижения силы трения оных.

 

[JohnDoe]

Да, и здесь не грех будет попробовать хотя бы в компрессорах кольца с П-образным профилем (перекладиной внутрь) для снижения силы трения оных.

Сила трения наоборот - вырастет! Как и уплотняющее действие колец. Т.к. сила давления кольца на гильзу/цилиндр зависит от прижимающей силы газов в канавке поршня и площади контакта кольца со стенкой цилиндра/гильзы. Рассмотрим два кольца одинаковой высоты H: обычное(прямоугольного сечения) - "ОК" и Ваше(П-образного сечения) - "ПК".  Сила F действующая на оба кольца со стороны газов в канавке поршня будет одинаковой: F = P * H(1.) В оригинале вместо высоты H  нужно ставить площадь S, но мы будем считать что площадь, в данном случае характеризуется высотой. Площади же ОК и ПК, контактирующие со стенкой цилиндра/гильзы различны. У ОК она равна площади на которою действует газ на кольцо в канавке, следовательно и давление, оказываемое на стенку будет разно давлению газов. У ПК же площадь контакта меньше на высоту проточки h(мы договорились выражать площадь через высоту, помните?). Отсюда, давление. оказываемое кольцом на стенку будет выше, т.к. из (1.) следует, что P = F / H.
Т.е. для ОК: P = F / H, а для ПК: P = F / (H - h). С уменьшением знаменателя величина давления будет расти, а значит будет расти и трение. Зря что ли применяют трапецивидные/конусовидные, в разрезе, кольца причём вершина обращена в поршневую канавку. Я как-то в теме про РЛД уже предлагал для снижения давления колец(с сохранением уплотняющего действия) на стенку применять составное "шахматное" кольцо (cм. Ответ #1161)
Вот рисунок оттуда:

 

[georgii-2]

...Рассмотрим два кольца одинаковой высоты H: обычное(прямоугольного сечения) - "ОК" и Ваше(П-образного сечения) - "ПК".

Оно не моё  🙂. Когда-то у меня была подборка инфы о различных кольцах, это оттуда. Утверждалось, что давление внутри П частично компенсирует давление из канавки.
Из практики - когда-то в ЯМЗ стали применять кольца с канавкой, долго они не ходили. Однако в дальнейшем пришла информация, что схохмили с маркой чугуния  🙂.

Для жидкостного трения формулы примерно такие:

..."Основные положения гидродинамической теории смазки рассмотрим на примере относительного движения двух пластинок, между которыми помещен слой смазки . Одну из пластинок считаем неподвижной, а другая движется равномерно со скоростью v. Зазор между пластинками имеет форму клина. Ширина пластинки b значительно больше величины зазора, и поэтому, пренебрегая вытеканием жидкости в направлении, перпендикулярном скорости v, можно считать поток жидкости плоским. Кроме того, движение жидкости считаем ламинарным. Тогда для учета сил внутреннего трения в жидкости справедлива формула Ньютона:

F=mS * dU/dY

где F –– величина силы сдвига (внутреннего трения), которую нужно приложить к слою жидкости площадью S для того, чтобы этот слой двигался относительно соседнего слоя со скоростью du при расстоянии между слоями dy. Коэффициент пропорциональности [ch956] называется динамической вязкостью и в системе СИ имеет размерность Нс/м2..."

 

[JohnDoe]

Оно не моё. Когда-то у меня была подборка инфы о различных кольцах, это оттуда. Утверждалось, что давление внутри П частично компенсирует давление из канавки.

Это из интернета? Тогда у меня тоже где-то валяется сия подборка. 😉

Из практики - когда-то в ЯМЗ стали применять кольца с канавкой, долго они не ходили. Однако в дальнейшем пришла информация, что схохмили с маркой чугуния

Цитрую из того свое сообщения по ссылке выше:

Согласно книги "Орлов П. И.
Основы конструирования: Справочно-методическое пособие. В 2-х кн. Кн. 1/Под ред. П. Н. Учаева. – Изд.3-е, испр. – М.:Машиностроение, 1988. – 560с.:ил."
(Страницы 499-507) существуют кольца с кольцевыми выборками, но в ДВС оные не ставятся "т.к. это увеличивает опасность закоксовывания колец из-за проникновения продуктов сгорания в зазор между кольцом и стенкой цилиндра."