РОТОРНО-ПОРШНЕВАЯ МАШИНА Российский патент 1994 года по МПК F01B31/00 F02B75/28 

Изобретение относится к поршневым машинам с встречно движущимися поршнями.

Известен поршневой двигатель, содержащий корпус, цилиндр с вырезами, два встречно движущихся поршня, размещенных в цилиндре с образованием трех камер переменного объема, две пары шатунов, попарно связанных с разными коленчатыми валами, соединенными шестернями [1].

Двигатель содержит компрессор, сопротивление сжатия в котором достигается путем регенеративного торможения рабочего тела с повышением внутренней энергии рабочего тела, т.е. его теплоты, но это является отношением объемов, т.к. степенью сжатия объемов, но при этом теряется степень расширения за счет внешнего подвода механической энергии.

Однако это означает, что реализуется принцип регенеративного торможения компрессора в машинах с противоположно движущимися поршнями, так в этом случае компрессор является тепловым насосом с реактивными опорами. Но это осуществляется путем противоположного вращения зубчатых колес, связанных с кривошипно-шатунными механизмами. При этом достигается частичное уравновешивание сил инерции поршневых масс и моментов инерции кривошипных валов с потерей эффективного КПД или эффективной мощности преобразователя регенеративного торможения на реактивных опорах.

В случае же роторной силовой установки получают силовую установку газовой турбины с регенеративным теплообменником с рабочим веществом воздух, например, в цикле Брайтона (Справочник по системотехнике. /Под ред. Р. Уакола, М. : Советское радио, 1970, с. 327, фиг.20.4), по которому требуется постоянный источник теплоты для турбины, из которой тепловой поток направляется в поглотитель тепловой энергии. Но при этом общий вал между компрессором и турбиной механически замкнут и может иметь высокие окружные скорости компрессора и турбины в отличие от силовых установок с вращающимся винтом, которому это не требуется. Из сопоставленного анализа силовых поршневых установок и силовых роторных установок следует, что в одном случае для поршневых силовых установок необходим принцип регенеративного торможения, а в другом случае для роторных силовых установок нужен регенеративный теплообменник. Но в этом и другом случае для тепловых насосов требуется камера сгорания, чтобы тепло направить для теплоснабжения, а не в поглотитель тепла, которому теплоснабжение не требуется. Отсюда следует, что энергетические уровни по масштабу отличаются по количеству цилиндров или ступеней в том и другом случае. Количество цилиндров приводит к неэффективному использованию увеличенной суммы количества движения и моментов инерции вращающихся и возвратно-поступательных перемещающихся рабочих элементов тепловой машины.

Так в первом случае попарно нужно увеличивать число цилиндров и коленчатых валов, а во втором случае при увеличении количества ступеней необходимо попарно увеличивать количество неподвижных и вращающихся лопаток. А в третьем случае необходима роторно-поршневая машина с попарными шатунами и тремя коленчатыми валами с возможностью снижения удельного веса и тепловых нагрузок компрессора. Это и является целью изобретения.

Целью изобретения является гидравлическое и динамическое уравновешивание колебательного противоположного процесса типа S n поршневых масс путем одностороннего вращения трех кривошипных валов.

Это достигается благодаря тому, что установлены две аэродинамические опоры, гидравлически связанные тремя регенеративными межцилиндровыми каналами уравновешивания без противоположно вращающихся зубчатых колес, при этом каждый третий вал проходит через центр цилиндра противоположно движущихся поршней в одном цилиндре и механически связан с переключающим золотником торообразной емкости, а каждая пара поршней содержит крестовины с вырезами, расположенными по окружности цилиндра, и содержит два дополнительных пальца двух поршней, при этом крестовина связана с помощью двух шатунов с взаимно параллельными и взаимно перпендикулярными к оси цилиндра вырезами с промежуточными пальцами шатунов и трех коленчатых валов, связанных с золотником и двумя парами гидравлических каналов, одновременно соединенных с колесом вентилятора на входе в две дополнительные полукольцевые надкривошипные камеры, связанные валом с колесом детандера и согласующим редуктором электродвигателя, и согласующим мультипликатором генератора.

Роторно-поршневая машина отличается тем, что эжекторный выход из первой ступени детандера связан с тремя каналами перепуска с параллельным размещением двух цилиндров на расстоянии шага второго винта.

На фиг.1 показана кинематическая и гидравлическая схема одноцилиндровой силовой установки; на фиг.2 - вторая проекция роторно-поршневой одноцилиндровой машины, разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - гидравлическая схема двухцилиндровой машины; на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.2; на фиг.5 - разрез В-В на фиг.2.

Роторно-поршневая машина по фиг.1,2 содержит электродвигатель 1, согласующий редуктор 2 с передаточным отношением 1:3, установленный на центральной опоре 3 с ребрами жесткости, внутри которой проходят коленчатые валы 4,5, два горизонтальных и один вертикальный вал 6. Центральная опора 3 имеет три контура - внешний контур 7, у которого имеются входные обтекаемые ребра 8 жесткости и выходные обтекаемые ребра 9 жесткости, а также надкривошипный контур 10, где кривошипные валы 4,5 и 6 расположены с шатунами 11,12,13,14, размещенными по окружности одного цилиндра 15 с продольными взаимно параллельными к оси цилиндра 15 вырезами 16,17,18 и 19 (фиг.2 по Б, по В), взаимно перпендикулярными к оси цилиндра 15 вырезами 20,21,22 и 23 (фиг.3) для крестовин 24 и 25.

Крестовина 24 имеет дополнительный палец 26 с одной стороны цилиндра 15, который связан с поршнем 27, а с другой стороны крестовины палец 26 соединен с поршнем 28. При этом центр крестовины 24 соединен с помощью пальцев крестовины с двумя шатунами 11 и 13 на перпендикулярном валу 6.

Крестовина 25 имеет пальцы 31 и 32, которые соединяют поршни 34 и 35 с горизонтальными шатунами 12 и 14 коленчатых валов 4 и 5 цилиндра 15. При этом вертикальный вал 6 проходит через центр цилиндра 15 и связан с золотником 36, который связан с гидравлическими каналами 37,38,39 и 40 с торообразной емкостью (объемом) 41, размещенной соосно на входе в колесо 42 вентилятора, непосредственно связанной с коленчатым валом 6. Надкривошипный контур 10 совместно с контуром (опорой) 3 образует два полукольцевых контура 7 для колеса 43 детандера. На фиг.1 показан элемент (по Г) ребра жесткости расположенных горизонтально для прохода коленчатых валов 4 и 5 в ребрах жесткости внешней опоры 3. Полукольцевые камеры (контуры) 7 служат для увеличения пропускной способности вентилятора.

При этом колесо 42 вентилятора и колесо 43 детандера связаны с одной горизонтальной осью с согласующим редуктором 2 электродвигателя 1, который размещен дополнительно на согласующем мультипликаторе 44 совместно с генератором 45.

На фиг. 3 показана гидравлическая схема роторно-поршневой машины, содержащей два последовательно установленных цилиндра 15 с двумя аэродинамическими опорами 3, аналогичных по конструкции описанных по фиг.1 и фиг.2, отличающихся соединенных гидравлических каналов, связанных с пусковой торообразной емкостью 41.

На фиг. 3 показана схема гидравлического и динамического соединения противофазного уравновешивания с помощью регенеративных каналов 46, 47, 48 восьмипоршневой силовой установки без клапанов с переключающим золотником поршневого компрессора с буферной полостью. Работа роторно-поршневой машины осуществляется с момента накопления объемов через вентиль 49. При наполнении рабочее тело поступает через вентиль 49, который является заправочным и регулировочным. Рабочее тело поступает от заправочной баллона в торообразную емкость 41 между поршнями 28 и 34, осуществляя давление на поршни 28 и 34.

Под действием усилия на поршни 28 и 34 воздействующей на крестовины 24 и 25 и пальцы шатунов 11 и 13 вал 6 с помощью кривошипов перемещает золотник 36, который является элементом управления после вентиля 49 по углу поворота по направлению, показанному на фиг.3.

Внешние поршни цилиндра 15 перемещают остаточное рабочее тело по каналам 46 и 47, 48 в камеры сжатия второго цилиндра сжимая остаточное рабочее тело в камере сжатия второго буферного цилиндра как в буферном компрессоре. При перемещении поршней в разных направлениях каналы 46, 47 и 48 перекрываются внешними поршнями 27 и 35, но при этом золотник поворачивается, переключает каналы 46, 47 и одновременно каналы 39 и 38 емкости 41, перепуская воздух по каналам 46, 47, 48 в буферный цилиндр. Но благодаря вращению электродвигателя 1 через согласующий редуктор 2 происходит переключение золотника 36, сжатый остаточный воздух второго цилиндра будет возвращен обратно в камеру первого цилиндра над поршнями 27 и 35 и создаст возвратную работу рабочему телу в циркуляционном объеме 41. При увеличении частоты переключения золотника 36 и две буферные полости двух цилиндров меняются ролями при каждом переключении с помощью электродвигателя 1 и согласующего редуктора 2, в результате достигается согласование работы поршневой машины по значению Sn и Sn², эти значения определяются перемещением S поршней, а n - число оборотов вращения кривошипных валов, связанных одновременно с золотником и дополнительными надкривошипными камерами подачи воздуха вентилятора колесу детандера.

При достижении необходимой частоты вращения по оборотам электродвигателя создаются условия работы колеса детандера и согласованного мультипликатором электрического генератора, используемого энергию регенеративного торможения поршней двигателя и компрессора двойного действия.

Положительный эффект достигается путем установки спрямляющих аппаратов двух винтовых турбонасосов вентиляторного контура с эжектированием воздуха во второй ступени детандера роторно-поршневой машины.

Использование: в машиностроении при проектировании поршневых машин. Сущность изобретения: машина содержит редуктор, оппозитные цилиндры с диаметрально противоположными вырезами, три кривошипных вала, поршни, установленные с образованием трех камер переменного объема, и две пары шатунов, попарно связанных с поршнями и с разными кривошипными валами. Машина снабжена торообразной емкостью с управляющим золотником, двумя полукольцевыми камерами, мультипликатором генератора и аэродинамическими опорами. Третий вал расположен в вырезах одного из цилиндров перпендикулярно его оси, осям поршней и первого, второго валов, кинематически связан с золотником торообразной емкости. Каждая пара поршней снабжена крестовинами с пальцами, кинематически связанными посредством шатунов с валами. На третьем валу установлены колесо вентилятора и колесо детандера, которые подключены к полукольцевым камерам, причем выход детандера сообщен с входом вентилятора. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. РОТОРНО-ПОРШНЕВАЯ МАШИНА, содержащая корпус, редуктор, оппозитные цилиндры с диаметрально противоположными вырезами, два кривошипных вала, поршни, размещенные в цилиндрах с возможностью встречного движения и с образованием трех камер переменного объема, и две пары шатунов, попарно связанных с поршнями и с разными кривошипными валами, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения гидравлического и динамического уравновешивания, машина снабжена торообразной емкостью с управляющим золотником, двумя полукольцевыми камерами, мультипликатором генератора, двумя аэродинамическими опорами, гидравлически связанными тремя регенеративными межцилиндровыми каналами уравновешивания с камерами переменного объема, и третьим кривошипным валом, расположенным в вырезах одного из цилиндров перпендикулярно его оси, осям поршней и других валов и кинематически связанным с золотником торообразной емкости, а каждая пара поршней снабжена крестовинами с пальцами, кинематически связанными посредством шатунов с валами, при этом на третьем валу установлены колесо вентилятора и колесо детандера, подключенные к полукольцевым камерам, а два другие вала кинематически связаны - один с редуктором электродвигателя, другой - с мультипликатором генератора. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что выход детандера сообщен с входом вентилятора.