Главная > Геометрия свободнопоршневых двигателей > Геометрия свободнопоршневых двигателей (часть5)

Геометрия свободнопоршневых двигателей (часть5)

Геометрия свободнопоршневых двигателей (часть1)

Геометрия свободнопоршневых двигателей (часть2)

Геометрия свободнопоршневых двигателей (часть3)

Геометрия свободнопоршневых двигателей (часть4)

Перевод Илья Духанин

2.7 Пневматический динамометр

 В принципе, электрическая энергия, генерируемая во время такта расширения, может быть накоплена и использована для последующего такта сжатия. Этот подход потребовал бы большого линейного генератора, относительно выходной электрической мощности, особенно для требуемых высоких степеней сжатия. В выбранной конфигурации линейный генератор проектировался, основываясь на требуемой выходной электрической мощности, и дополнялся буферными камерами, как средствами накопления энергии. Таким образом, один линейный генератор не может дать достаточной мощности для достижения диапазона требуемых степеней сжатия в одном ходе. Следует отметить, что запуск должен быть полностью закончен, использую только линейные генераторы, хотя это и заняло бы множество циклов, чтобы создать достаточно энергии в буферной камере для достижения достаточной для воспламенения степени сжатия. Для работы в качестве исследовательского двигателя желательно иметь возможность для мотора двигателя выбирать рабочие условия перед поступлением топлива. Предпочтительнее, чем полагаться на линейные генераторы, была придумана пневматическая система для подачи сжатого воздуха в буферные камеры при положениях поршней вблизи НМТ и выпуска воздуха при контролируемом давлении вблизи ВМТ. При такой схеме степень сжатия в камере сгорания устанавливается посредством управления подаваемого давления в буферные камеры. Аналогично, величина хода поршня в буферных камерах регулируется управлением выпускаемого давления.

Рис.33. Разрез цилиндра буферной камеры, показывающий систему пневматического привода.

Рис.33. Разрез цилиндра буферной камеры, показывающий систему пневматического привода.

Схема пневматического привода буферной камеры показана на рис.33. как только поршень приближается к ВМТ, клапан впуска воздуха приводится в действие набором 12 штырей, завинченных в верхнюю часть поршня. Клапан использует кольцевую клапанную пластину, которая уплотняется тонкими кольцами напротив сопрягаемого носка на внутреннем диаметре и наружной головки на наружном диаметре. Набор из 16 пружин сжатия используется, чтобы закрыть клапан, когда на нем имеется минимальная разность давлений, хотя разность давлений создает главную уплотняющую силу. Кольцевой объём за клапанной пластиной питается от подающей системы воздушного привода воздухом или азотом под давлением 1200 psi (8,274 Мпа). Импульс поршня  создает силу для открытия клапана. Затем сжатый воздух или азот поступает в буферную камеру, в то время как поршень замедляется к НМТ и затем ускоряется в противоположном направлении, снова закрывая клапан. “P-V” работа газа двигает поршни назад к ВМТ, достигая требуемой степени сжатия. Как только поршни достигают ВМТ, клапаны выпуска буферной камеры открываются и  газ выходит в атмосферу через коллектор выпуска с управляемым компьютером двустворчатым клапаном для установки давления сброса. На рис. 34 изображены внутренняя и наружная головки в сборе.

Рис.34. Фотография внутренней и наружной головок буферной камеры в сборе

Рис.34. Фотография внутренней и наружной головок буферной камеры в сборе

Для заполнения буферных камер за малый интервал времени вблизи ВМТ требуются клапаны с возможно большим проходным сечением, работающие при большом перепаде давления с быстрым срабатыванием. Общее время, отведенное для открытия, заполнения цилиндра и закрытия составляет порядка 5 мс. Кольцевой клапан механически приводится в действие поршнем, спроектированным для удовлетворения этим ограничениям. В клапане используется кольцевая клапанная пластина, которая уплотняется тонкие кольца напротив сопрягаемого носка на внутреннем диаметре и наружной головки на наружном диаметре. Зубцы как внутреннем диаметре, так и на наружном диаметре центрируют сопрягаемые части, и пространство между зубцами образует путь для потока газа. Регулировка прокладками между наружной головкой и внутренней головкой дает способы установки наружной и внутренней уплотняющих поверхностей в одной плоскости. Плоскостность клапанной пластины гарантирует тогда хорошее уплотнение.

Исходный диаметр штырей привода клапанов составлял 3/16 дюйма (4,76 мм), было зазубривание поверхности поршня и расшатывание вследствие большой силы и импульса, связанного  с открытием клапанной пластины. Переход к диметру в ½ дюйма (6,35 мм) был достаточен, чтобы решить проблему зазубривания, хотя они были еще склонны к расшатыванию. Использование фиксатора резьбы Loctite 262 было достаточным для фиксирования их на месте для целей этих экспериментов.

Перед реализацией экспериментов с воздушным приводом было установлено, что клапанная закрывающая пружина не остается на месте при повторяющихся действиях и большой величины воздушного потока, проходящего через него. Вследствие длинной безопорной длины, пружины имели склонность к потере устойчивости при обдуве вокруг во время работы клапана. Чтобы найти способ решения этой проблемы без больших конструктивных изменений, были сконструированы детали, удерживающие пружину. Для сохранения полной длины хода клапана, была изготовлена новая внутренняя головка с увеличенной глубиной, как показано на рис.35. Основные части были запрессованы во внутреннюю головку, развернуты для скользящей посадки на вале крышек. Этот способ достаточно хорошо работал для получения начальных данных. Однако стало понятно, что у пружин были превышены пределы. После долгих испытаний пружины часто обнаруживались сломанными.

Рис.35. Первая доработка головки буферной камеры.

Рис.35. Первая доработка головки буферной камеры.

Были необходимы более длинные пружины, для того, чтобы работать  почти однодюймовым ходом клапана. Для сохранения большего срока работоспособности пружин, были необходимы пружины большего диаметра. Для пружин была выбрана хромокремниевая сталь за её упругость в областях применения с высокими циклическими нагрузками. Для установки более длинных пружин отверстия для них были подвергнуты механической обработке через заднюю часть головки, и крышка была установлена для уплотнения головки под давлением и удержать пружины на месте, как показано на рис. 36. Такая конструкция позволила получать лёгкий доступ к пружинам при их установке, проверке и замене.

Рис.36. Вторая доработка головки буферной камеры.

Рис.36. Вторая доработка головки буферной камеры.

Метод удержания пружины был также переделан в данной конструкции. Маленький диаметр штырей в предыдущей конструкции имел склонность к усталостной поломке при воздействии открытия клапана. Дополнительно в случаях излишнего хода поршня сжатие газа в скользящем механизме было достаточным для преодоления давления посадки  и вырывало базовые части из их посадочных мест. В новой конструкции используется плотная посадка штыря и отверстия для удержания пружины на месте. При закрытом клапане имеется достаточное сцепление штыря и отверстия, чтобы пружина могла держаться сама на оси отверстия. Пружинные штыри были изготовлены  из полого титанового сплава Ti-6Al-4V для прочности и малой массы. Будучи значительно большими, чем в предыдущей конструкции, если бы эти детали были сделаны из сплошной стали, ответная реакция клапана  была бы медленнее, несмотря на более высокую силу пружины. Вследствие использования полого титанового сплава собственная частота системы пружина-держатель-пластина повысилась по сравнению с предыдущей конструкцией. Это обеспечивает не только быструю реакцию клапана, но и снижает вероятность резонанса в пружине.

Соответствующее уплотнение клапанов потребовало несколько модификаций конструкции, которые обобщенно приведены в таблице 3 и на рис.37 (параметры конструкции клапанной пластины). Первоначальная конструкция пластины клапана имела толщину 0,05 дюйма (1,27 мм) из высококачественной нержавеющей стали 304. Эта конструкция была пластически деформирована силовым воздействием поршня. Последующие конструкции предусматривали изменение материалов и толщин для достижения более легкой, жесткой и более сопротивляющейся ударному воздействию конструкции. Дополнительно радиальные допуски между зубьями и сопрягаемыми поверхностями были уплотнены, чтобы снизить накопление осадка, и был добавлен жесткий допуск на плоскостность. Всего получилось 6 изменений прежде, чем клапанные пластины были достаточно надежными для уплотнения в течение многих длительных испытаний с сотнями циклов каждый.

Конечная конструкция показана на рис. 38. Конечная конструкция клапанной пластины была толщиной 0,17 дюйма (4,32 мм)  из титана 6-4 с  увеличенными уплотняющими  поверхностями, допуск на плоскостность 0,0002 дюйма (0,0051 мм), шероховатость поверхности 8 микродюймов (0,0002 мм).

Таблица 3: Модификации конструкции клапанной пластины (все размеры в дюймах).

Таблица 3 Модификации конструкции клапанной пластины (все размеры в дюймах).

*добавлены увеличенные уплотняющие поверхности, размеры применены только для уплотняющих поверхностей

 

Эти окончательные пластины клапана доказали надежность, достаточную для диапазона  наших экспериментов, хотя металлические седла и пластины были пока еще чувствительны для локальных повреждений, если загрязнения попадали каким-либо способом в систему. Детали головки несколько раз притирались из-за загрязнений, включающих частицы от повреждений клапанной пружины и отколовшиеся частицы от магнитов. Притирка пластины была наиболее распространенным явлением. Благодаря поднятым краям уплотнения,  ручная притирка напротив оптической плоскости, использующей зернистость притирочной смеси от 400 до 1200 дала хороший результат за малое время.

Рис.37. Параметры конструкции клапанной пластины

Рис.37. Параметры конструкции клапанной пластины

Рис.38. Окончательная конструкция клапанной пластины

Рис.38. Окончательная конструкция клапанной пластины

2.8 Система выпуска буферной камеры

Для обеспечения управлением нагрузкой посредством пневматической системы газ из буферной камеры выпускался при управляемом давлении, которое определяет работу сжатия, поглощаемой при наружном ходе. Управление давлением осуществлялось выпуском через коллектор и армированный резиновый рукав в буферные емкости, давление в которых регулировалось с использованием двухстворчатого клапана с электрическим приводом, работающим с компьютерным интерфейсом.

Было сделано несколько модификаций системы выпуска, чтобы получить рабочий пневматический привод. Все они имели целью достижение наибольшей скорости выпуска газа из буферной камеры для получения наибольшей общей входной энергии. Испытание система запуска с гелием с удаленными продувочными коллекторами показало несоответствующие размеры выпускных отверстий буферной камеры, так как атмосферной давление не могло быть достигнуто во время открытия выпускных отверстий даже при всех удаленных трубопроводах ниже по потоку. Термодинамическая модель двигателя была адаптирована для определения требуемых размеров отверстий для соответствующей работы. Было определено, что вырезанные исходные отверстия с пазом в ½ дюйма и длиной ½ дюйма в направлении наружного конца буферной камеры будут давать требуемый поток газа. На рис. 39 показаны модифицированные продувочные отверстия для улучшения газового потока. Последующие испытания запуска старта с гелием показали хорошую согласованность с прогнозом модели.

Рис.39. Модификация продувочных отверстий для улучшения потока газа.

Рис.39. Модификация продувочных отверстий для улучшения потока газа.

Следующие очевидные ограничения заключались в размерах исходных выпускных коллекторах, которые содержали слишком малый объем и были ограничены четырьмя выходными отверстиями под трубную резьбу ¾ дюйма. Моделирование динамика газа в выпуске буферной камеры  показало, что двухлитровый коллектор с четырьмя фитингами под трубную резьбу  1 ½ будет обеспечивать в цилиндре буферной камеры близкое к атмосферному давление в заданное время. Чтобы удовлетворить этим требованиям, были сконструированы новые выпускные коллекторы (рис. 40). Большая часть трубопроводов ниже по потоку была также заменена, чтобы получить большую площадь потока и снизить падение давления, насколько это возможно. Модифицированная система пневматического привода буферной камеры показана на рис. 41.

 Рис.40. Новая конструкция продувочного патрубка.

 Рис.40. Новая конструкция продувочного патрубка.

Рис.41. Модифицированная система продувки буферной камеры.

Рис.41. Модифицированная система продувки буферной камеры.

Продолжение статьи  Геометрия свободнопоршневых двигателей (часть6)

Регистрация
Архивы