ГИДРОПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ В.С. ГРИГОРЧУКА Российский патент 1996 года по МПК F03G3/00 

Изобретение относится к области машиностроения и может найти применение в качестве двигателя.

Известен тепловой двигатель, содержащий рабочее колесо, наполовину погруженное в жидкость и состоящее из обода в форме пустотелого тора, разделенного внутри поперечными перегородками-клапанами одностороннего действия и заполненного на 1/3 легкокипящей жидкостью, ось, установленную в подшипниках опор и соединенную с ободом посредством спиц (Патент Австрии N 383158, кл. F 03 C 7/06 от 28.03.69).

Недостатки теплового двигателя: низкий КПД, небольшая мощность, невозможность изменения частоты вращения вала двигателя и его остановки.

Указанные недостатки обусловлены малым перепадом температур между водой и воздухом, небольшой скоростью теплопередачи от нагревателя к рабочему телу и обратно к холодильнику, большим расходом тепла на прогрев обода рабочего колеса, а также конструкцией самого двигателя.

Известен также гидродвигатель, содержащий несколько цилиндрических поршней, погруженных в жидкость и размещенных в восьмигранной камере, установленной на оси, причем цилиндрические поршни посредством штоков, проходящих через отверстия упомянутой камеры, связаны с шестернями возвратно-поступательного механизма, входящими в зацепление между собой и с неподвижным фигурным зубчатым колесом, установленными на кольцевой направляющей (Патент Франции N 2262738, кл. F 03 В 17/04, от 01.03.74, опубл. 1975 г.). Известный гидродвигатель по патенту Франции N 2262738, как наиболее близкий по технической сущности и достигаемому полезному результату, принят за прототип.

Недостатками известного гидродвигателя по патенту Франции N 2262738, принятого за прототип, являются: небольшая мощность и малый КПД, сложность конструкции, сложность остановки гидродвигателя в погруженном состоянии и невозможность регулирования частоты вращения рабочего вала, большая глубина погружения, необходимая для устойчивой работы гидродвигателя.

Указанные недостатки обусловлены конструкцией гидродвигателя, а также длиной цилиндрических поршней, от которых зависит разность давлений на торцевых частях поршней и, следовательно, сила, приложенная к штокам, наличием возвратно-поступательного механизма, необходимостью иметь в наличии специальный механизм для разворота гидродвигателя на 90 ^o с целью его остановки или специальное устройство для продувки сжатым воздухом восьмигранной камеры.

Техническим результатом изобретения является повышение эксплуатационных качеств гидродвигателя.

Технический результат, согласно изобретению, обеспечивается тем, что восьмигранная камера с поршнями и возвратно-поступательным механизмом, неподвижное фигурное зубчатое колесо заменены преобразователем энергии в форме обода, на внешней стороне которого равномерно в четном количестве размещены дебалансные рабочие элементы, на валу каждого из которых закреплены по две последовательно соединенных повышающих муфты, причем на выходном валу последней из них установлена зубчатая шестерня с возможностью периодического взаимодействия с неподвижным зубчатым венцом, кроме того каждый дебалансный рабочий элемент выполнен в виде цилиндрического корпуса с продольным сегментообразным пазом, в котором на одной стороне установлен штуцер, а на другой выполнено впускное окно, на двух его торцевых сторонах установлены крышки, а на валу, размещенном в сквозном отверстии одной из них, неподвижно закреплен поршень-лопасть с уплотнительным элементом, регулируемым дросселем, установленным в трубопроводе, соединяющим внутренние полости каждой пары дебалансных рабочих элементов, диаметрально размещенных на ободе, механизмом изменения частоты вращения вала двигателя и его остановки кинематически соединенного с регулируемым дросселем.

На фиг. 1 изображен общий вид гидропневматического двигателя; на фиг.2 - вид на гидропневматический двигатель справа; на фиг. 3 вид на гидропневматический двигатель слева; на фиг. 4 общий вид дебалансного рабочего элемента; на фиг. 5 вид на дебалансный рабочий элемент сверху; на фиг. 6 вид на дебалансный рабочий элемент сверху при снятой крышке; на фиг. 7 устройство преобразователя энергии; на фиг. 8 устройство регулятора частоты вращения вала двигателя; на фиг. 9 устройство продувочного клапана; на фиг.10 схема соединения дебалансного рабочего элемента с ведущей шестерней; на фиг. 11 разрез А-А фигуры 10; на фиг. 12 общий вид неподвижного зубчатого венца; на фиг. 13 диаграмма работы гидропневматического двигателя; на фиг. 14 схема принципа действия гидропневматического двигателя.

Гидропневматический двигатель содержит преобразователь энергии, закрепленный на валу 1, установленном на подшипниках опор 2 и 3, которые размещены на дне резервуара 4, заполненного жидкостью 5 на 2/3 диаметра обода преобразователя энергии. На правой опоре закреплен неподвижно зубчатый венец 6. Преобразователь энергии гидропневматического двигателя состоит из обода 7, который посредством спиц 8 соединен со ступицей 9, закрепленной на валу. К внешней части обода, на равном расстоянии друг от друга, прикреплены дебалансные рабочие элементы 10 17. Каждая пара дебалансных рабочих элементов, расположенная на одной линии, проходящей через ось вращения, соединена между собой трубопроводами 18 21. В центре каждого трубопровода установлены управляемые дроссели 22 25, закрепленные на ступице преобразователя энергии и каждый из них содержит корпус 26, в который вставлен золотник 27, перекрывающий трубопровод, нагруженный в задней части пружиной 28, а в передней части контактирующий с диском 29, выполненным заодно с втулкой 30, имеющий ограничительный паз 31, в который вставлен болт 32, ввернутый в вал двигателя и диск 33 с желобом, в который выходит вилка 34, соединенная с штоком исполнительного механизма 35. Исполнительный механизм может быть гидравлическим, пневматическим или механическим. Все дебалансные рабочие элементы имеют одинаковое устройство и каждый из них содержит корпус 36 цилиндрический с продольным сегментообразным пазом. Сверху корпус закрыт крышкой 37, через отверстие которой пропущен вал 38, выполненный заодно с поршнем-лопастью 39, имеющим уплотнительное устройство 40. На корпусе по всей его длине выполнено впускное окно 41, а с противоположной стороны штуцер 42 для соединения с трубопроводом. В корпус ввернут продувочный кран, представляющий собой болт 43 с Г-образным каналом 44. Каждый трубопровод с обоих концов имеет соединительный вентиль 45. На корпусе каждого дебалансного рабочего элемента расположен выступ 46, к которому болтами прикреплена балка 47, имеющая подшипники 48 и 49, в которых установлены ведомые валы 50 и 51 кулисно-рычажных повышающих муфт 52 и 53. Вал каждого дебалансного рабочего элемента соединен с ведущим валом 54 первой повышающей муфты, на котором установлена плоская полумуфта 55 с двумя штырями 56, входящими в отверстия ползунов 57 и 58, установленных в двух взаимопересекающихся пазах 59 и 60 ведомой полумуфты 61. Ведомый вал первой повышающей муфты соединен с ведущим валом 62 второй повышающей муфты, а ползуны 63 и 64 ведущей полумуфты 65 входят в пазы 66 и 67 ведомой полумуфты 68. На ведомом валу второй повышающей муфты закреплена ведущая зубчатая шестерня. Всего ведущих шестерен восемь 69 - 76.

Работа гидропневматического двигателя.

В основе работы гидропневматического двигателя лежит принцип использования разности атмосферного давления и давления жидкости, действующих по разные стороны поршня-лопасти дебалансного рабочего элемента, опущенного на некоторую глубину водоема. В исходном положении (фиг.8) шток исполнительного механизма 35 выдвинут вправо. Диск 29, преодолев силу действия пружин 28, сместил вправо золотники 27 дросселей 22 25 и полностью перекрыл трубопроводы 18 21. Преобразователь энергии неподвижен. Для включения двигателя шток исполнительного механизма 35 смещается влево и перемещает в ту же сторону втулку 30 с диском 29. Пружины 28 смещают влево золотники 27, открывая трубопроводы 18 21. Жидкость из резервуара 4 начинает поступать внутрь полостей дебалансных рабочих элементов 13 15 (фиг.14). Под действием силы давления жидкости F_ж поршни-лопасти 39 начинают поворачиваться в направлении, показанном стрелками, вытесняя воздух из полостей дебалансных рабочих элементов 13 15, который по трубопроводам 18 20, через дроссели 22 24, штуцера 42 подается в полости дебалансных рабочих элементов 10, 11, 17, находящихся в воздухе. Поршни-лопасти 39 последних, под действием силы сжатого воздуха F_в, поворачиваются в противоположную сторону в исходное положение и вместе с ними вращаются вхолостую в ту же сторону ведущие шестерни 69 76. Вместе с поршнями-лопастями 39 дебалансных рабочих элементов 13 15 вращаются муфты 52, 53, каждая из которых увеличивает частоту вращения в два раза, и ведущие зубчатые шестерни 72 74, которые входят в зацепление с зубьями неподвижного зубчатого венца 6. Передвигаясь по зубьям неподвижного зубчатого венца 6, ведущие зубчатые шестерни 72 74 приводят в движение обод 7 преобразователя энергии, а вместе с ним и вал 1 гидропневматического двигателя. Таким образом, достигнув определенной глубины, где давление воды на поршни-лопасти дебалансных рабочих элементов превышает атмосферное давление воздуха, зубчатые шестерни 69 76 входят в зацепление с неподвижным зубчатым венцом 6, а с другой стороны, где давление воды становится равном атмосферному, выходят из зацепления с последним. Поршни-лопасти 39 дебалансных рабочих элементов 12, 16, находящиеся в горизонтальном положении под водой, располагаются в равных условиях и ведущие зубчатые шестерни 71, 75, связанные с ними, неподвижны. Таким образом периодически каждый из дебалансных рабочих элементов, погружаясь на глубину, где давление выше атмосферного, заставляет свой поршень-лопасть и ведущее зубчатое колесо поворачиваться и, взаимодействуя с неподвижным зубчатым венцом, поворачивать обод преобразователя энергии и вместе с ним вал гидропневматического двигателя, в то время, как поршни-лопасти противоположных дебалансных рабочих элементов, находящихся в воздухе, под действием сжатого воздуха, поступающего по трубопроводам, перемещаются в исходное положение, вращаясь в противоположную сторону, освобождают свои полости от воды, которая успевает вытечь через окно дебалансного рабочего элемента, за время нахождения последнего в воздухе. Уменьшая или увеличивая проходное сечение дросселей 22 25, мы увеличиваем или уменьшаем противодавление, преодолевая которое движущиеся в воде поршни-лопасти уменьшают или увеличивают скорость своего движения. В результате чего уменьшается или увеличивается частота вращения ведущих шестерен и следовательно частота вращения вала двигателя. Максимальная частота вращения вала двигателя соответствует максимальному проходному сечению дросселей. Минимальная частота вращения вала двигателя соответствует минимальному проходному сечению дросселей. Полное закрытие дросселей препятствует проходу воздуха по трубопроводам из полостей дебалансных рабочих элементов, находящихся под водой, в полости дебалансных рабочих элементов, находящихся на воздухе, и ведет к остановке преобразователя энергии и вала двигателя. При работе двигателя, вследствие износа уплотнительных элементов 40 внутрь дебалансных рабочих элементов может попадать вода. Для ее удаления необходимо остановить двигатель, перекрыв дроссели 22 25, после чего через соединительные вентили 45 к каждому дебалансному рабочему элементу, находящемуся в воздухе, подвести сжатый воздух и отвернуть болт 43, чтобы Г-образное отверстие 44 вышло из корпуса. Под действием сжатого воздуха поршень-лопасть повернется в исходное положение и вода вытеснится через отверстие 44 наружу, после чего болт 43 заворачивается. Таким же образом осуществляется продувка остальных дебалансных рабочих элементов. Из диаграммы на фигуре 13 видно, что горизонтальные линии обозначают глубину водоема и каждый промежуток соответствует единице глубины. Двигатель погружен на 2/3 диаметра обода преобразователя энергии. Начало рабочего хода (момент зацепления зубьев ведущих зубчатых шестерен с неподвижным зубчатым венцом), на чертеже заштрихованный участок, начинается в точке, соответствующей 117^o, а заканчивается в точке, соответствующей 261 ^o. Подготовительный ход (удаление воды из полости дебалансного рабочего элемента, вышедшего на поверхность и перемещение поршня-лопасти в исходное положение), на чертеже не заштрихованный участок, начинается в точке, соответствующей 285^o, а заканчивается в точке, соответствующей 75^o. Правый и левый участки, показанные черной и белой линиями, указывают, что силы, действующие на этих участках на поршни-лопасти противоположных дебалансных рабочих элементов равны. Равенство этих сил начинается в точках 75^o и 261^o, а заканчивается в точках 117^o и 285^o, при вращении вала двигателя в направлении, показанном стрелкой.

Предлагаемое изобретение обеспечивает более высокий КПД, большую мощность на валу двигателя, простоту запуска и остановки, а также возможность изменения частоты вращения вала двигателя, меньшие потери на трение, возможность установки двигателя в любом месте, не требует водоема большой глубины.

Предлагаемый гидропневматический двигатель может быть использован для выработки электроэнергии и обеспечение ею предприятий, находящихся в местах, куда затруднен подвоз топлива. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4 ЫЫЫ6 ЫЫЫ8 ЫЫЫ10 ЫЫЫ12

Использование: энергетика, различные области машиностроения. Сущность изобретения: гидропневматический двигатель содержит рабочее колесо, закрепленное на валу 1, установленном на подшипниках опор 2 и 3, которые установлены на дне резервуара 4, заполненного жидкостью 5 на 2/3 диаметра рабочего колеса. На правой опоре закреплен неподвижно зубчатый венец. Рабочее колесо двигателя состоит из обода 7, который посредством спиц 8 соединен со ступицей 9, закрепленной на валу. К внешней части обода на равном расстоянии друг от друга прикреплены гидродвигатели 10-17. Каждая пара гидродвигателей, расположенная на одной линии, проходящей через ось вращения, соединена между собой трубопроводами 18-21. В центре каждого трубопровода установлены управляемые дроссели 22-25, закрепленные на ступице рабочего колеса, и каждый из них содержит корпус 26, в который вставлен золотник 27, перекрывающий трубопровод, нагруженный в задней части пружиной 28, а в передней части контактирующий с диском 29, выполненным заодно с втулкой 30, имеющий ограничительный паз 31, в который вставлен болт 32, ввернутый в вал двигателя, и диск 33 с желобом, в который входит вилка 34, соединенная со штоком исполнительного механизма 35. 4 з.п.ф-лы, 14 ил.

1. Гидропневматический двигатель, содержащий заполненный жидкостью резервуар, установленный в нем преобразователь энергии, использующий выталкивающую силу пустотелых дебалансных рабочих элементов, размещенных на ободе, соединенном со ступицей и осью, установленной в подшипниках опор, неподвижный зубчатый венец, закрепленный на одной из опор, отличающийся тем, что дебалансные рабочие элементы, в четном количестве, установлены на внешней стороне обода равномерно, на валу каждого дебалансного рабочего элемента закреплены по две последовательно соединенные повышающие муфты, на выходном валу последней из которых установлена зубчатая шестерня с возможностью периодического взаимодействия с неподвижным зубчатым венцом. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что каждый дебалансный рабочий элемент выполнен в виде цилиндрического корпуса с продольным сегментообразным пазом, в котором на одной стороне установлен штуцер, а на другой выполнено впускное окно, на двух его торцевых сторонах установлены крышки, а на валу, установленном в сквозном отверстии одной из крышек, неподвижно закреплен поршень-лопасть с уплотнительным элементом. 3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что он снабжен регулируемым дросселем, установленным в трубопроводе, соединяющем внутренние полости каждой пары дебалансных рабочих элементов, диаметрально размещенных на ободе. 4. Двигатель по пп.1 3, отличающийся тем, что он снабжен механизмом изменения частоты вращения вала двигателя и его остановки, кинематически соединенным с регулируемым дросселем. 5. Двигатель по пп.1 4, отличающийся тем, что обод преобразователя энергии погружен в жидкость на 2/3 его диаметра.