ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК F03C1/00 F02B53/00 F01B31/00 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к гидравлическим двигателям и может быть использовано на водном транспорте и в качестве стационарных энергетических установок тепловых электростанций.

Известен коловратный гидромотор (Бирюков В.Н. От водяного колеса до квантового ускорителя. М. Машиностроение, 1990, с.91).

Недостатком данного двигателя является сложное циклоидальное движение ротора, требующее применения противовесов для его уравновешивания и применения специальных уплотнителей в выступах роторов.

Известен также аксиально-поршневой гидромотор с наклонным блоком (Бирюков Б.Н. От водяного колеса до квантового ускорителя. М. Машиностроение 1990, с.81), состоящий из выходного рабочего вала, поршней, блока цилиндров, распределителя.

Недостатком всех существующих гидравлических двигателей (моторов) является довольно сложная их конструкция и необходимость подведения к ним жидкости для преобразования ее энергии в механическую работу.

Изобретение обеспечивает: создание малошумных, мощных гидравлических моторов, не требующих применения редуктора, ротор-поршень которых размещен в цилиндре соосно с рабочим валом с возможностью возвратно-поступательного и вращательного движения, передаваемого выходному рабочему валу, при этом ротор-поршень оказывается почти разгруженным от ведущего момента и на него в основном действует сила трения.

Указанный результат достигается тем, что в гидравлическом двигателе (гидромоторе) силы, действующие на поршни, прямо пропорциональны площадям поршней. Таким образом, действуя малой силой на поршень с малой площадью, преодолевается большое сопротивление, действующее на ротор-поршень с большой площадью. На этом принципе основано устройство данного гидравлического двигателя (мотора). Передача жидкостью производимого на нее давления и практическая несжимаемость ее используются в устройстве данного гидравлического двигателя (мотора).

В гидравлическом двигателе (гидромоторе) возвратно-поступательное движение поршня, свободно размещенного в малом цилиндре, через жидкость в рабочей полости преобразуется в возвратно-поступательное и вращательное движение рабочего ротора-поршня в большом цилиндре, преобразуемого ротором-поршнем во вращательное движение выходного рабочего вала. Вода, помещенная в замкнутое пространство (коллектор), нагревается любым источником тепла: солнечными лучами, атомным реактором, дровами, смолой, углем, керосином, солевым расплавом или подземной горячей лавой до высокой температуры, но не кипит, так как находится под высоким давлением. При этой температуре вода подается в двигатель.

Превращаясь в пар, вода совершает работу. Затем пар конденсируется, и при температуре около 100^oC вода снова идет в коллектор.

При использовании двигателя в качестве стационарной энергетической установки тепловых электростанций, использующих тепло солнечных лучей, для большей равномерности и "инерционности" нагрева воды в схему введен масляный контур. Масло запасает теплоту, отдавая ее воде; оно способно некоторое время поддерживать работу двигателя даже при отсутствии Солнца.

Вода под большим давлением и высокой температурой подается через впускной клапан и приводную часть малого цилиндра. Превращаясь в пар, давит на поршень, перемещающийся в малом цилиндре, расположенном параллельно большому цилиндру; при движении поршень оказывает давление на жидкость, перетекая из малого цилиндра в большой, через лопатки направляющего аппарата, жидкость "закручивается". Вращающийся поток жидкости воздействует на серпообразные углубления в торцовой части ротора-поршня, заставляет его вращаясь передвигаться в цилиндре, оказывая противоположным своим торцом давление на жидкость, заполняющую цилиндр за ротором-поршнем; при этом жидкость, перетекая через канал в переборке цилиндра, попадает в буферную полость, частично заполненную воздухом, и сжимает его. После открытия клапана давления в малом цилиндре резко падает, находящийся под давлением в буферной полости воздух, вытесняя жидкость через лопатки направляющего аппарата, закручивающего поток жидкости в направлении вращения ротора, воздействуя на торцевую часть ротора и серпообразные углубления на торцевой части, заставляет ротор-поршень - вращаясь двигаться в противоположном направлении.

На наружной боковой поверхности ротора-поршня выполнен наклонно расположенный кольцевой паз с возможностью взаимодействия с направляющим элементом в виде диска, вал которого размещен в подшипниках, закрепленных в приливе на стенке большого цилиндра.

При перемещении ротора-поршня в цилиндре под давлением жидкости диск, обкатываясь по наклонно расположенному кольцевому пазу, заставляет поршень-ротор вращаться. Вращательное движение ротора-поршня передается цилиндрическому рабочему валу с помощью шариков, обкатывающихся по продольным пазам в цилиндрическом рабочем валу и роторе-поршне.

Отработавший в малом цилиндре пар при открытии выпускного клапана поступает в конденсатор, образовавшийся конденсат насосом направляют при температуре около 100^oC снова в коллектор.

Ротор-поршень при движении от переборки буферной полости заставляет жидкость перетекать в малый цилиндр. Поршень в малом цилиндре, перемещаясь, подходит к аварийному амортизатору, а в это время закрывается выпускной клапан и открывается впускной клапан, вода под большим давлением и высокой температурой подается в цилиндр, превращается в пар и рабочий цикл повторяется.

Двигатель обеспечивает лучшие технические показатели за счет устранения понижающего редуктора при использовании его в качестве главного двигателя на морских судах, кораблях и подводных лодках.

На фиг. 1 изображен гидравлический двигатель, разрез; на фиг. 2 - торцевая часть ротора-поршня; на фиг. 3 переборка буферной полости; на фиг. 4 наружная переборка с каналом, сообщающим малый и большой цилиндры, внутренняя часть.

Гидравлический двигатель состоит из двух сообщающихся между собой цилиндров: малого 1 и большого 2, разделенного внутренней переборкой 3 на полости: роторно-поршневую 4 и буферную 5, с поршнем 6 в малом цилиндре 1 и ротором-поршнем 7 в большом цилиндре 2, размещенном на цилиндрическом рабочем валу 8 с возможностью возвратно-поступательного и вращательного движения. На наружной боковой поверхности ротора-поршня 7 выполнен наклонно расположенный кольцевой паз 9 с возможностью взаимодействия с направляющим элементом 10 в виде диска 11, вал 12 которого размещен в подшипниках 13, закрепленный в приливе 14 с наружной стороны цилиндра 2. Торцы ротора-поршня 7 закрыты крышками 15 с серпообразными углублениями 16 по окружности. Ротор-поршень 7 и цилиндрический рабочий вал 8 взаимодействуют между собой с помощью шариков 17 в сепараторах, размещенных в продольных пазах 18 в цилиндрическом рабочем валу 8 и в центральном отверстии 19 ротора-поршня 7. Цилиндрический рабочий вал 8 с ротором-поршнем 7 размещен (покоится) на подшипниках 20, размещенных в крышках 21 и 22. На рабочем валу 8 со стороны крышки 22 жестко закреплены кулачки 23 для управления движением клапанов, впускного 24 и выпускного 25. На противоположном конце рабочего вала 8 жестко закреплен эксцентрик 26 привода масляного плунжерного насоса 27 и плунжерного конденсатного насоса 28. Малый цилиндр 1 с большим цилиндром 2 сообщается каналом 29. В головке цилиндра 1 выполнены каналы: впускной 30 с клапаном 24 и выпускной 31 с клапаном 25.

Выпускной канал сообщается патрубком 32 с конденсатором 33.

В головке цилиндра 1 также размещены тепловая труба 34 и аварийный амортизатор 35. Поршень 6 в цилиндре 1 выполнен с центральным глухим отверстием и 36 и разделяет цилиндр 1 на полости: рабочую 37 и приводную 38. В канале 29 и канале 39 внутренней переборки 3 установлены лопатки 40. На валу 12 диска 11 размещен ротор небольшого генератора тока 41. Охлаждение и смазка поршня 6 и ротора-поршня 7 осуществляется маслом, которым заполнены часть буферной, роторно-поршневой и рабочей полости. Охлаждение цилиндров, буферной полости и масла, находящегося в них, производится охлаждающей жидкостью, прокачиваемой по каналам 42. Рабочая температура, давление масла и воздуха в двигателе регулируется приборами поддержания давления, температуры и уровня в необходимом рабочем режиме, получающими электроэнергию при работе двигателя от генератора 41. В нерабочем положении поршень 6 цилиндра 1 всегда находится в ВМТ.

При подаче в приводную полость 38 через открытый впускной клапан 24 цилиндра 1 нагретой под большим давлением воды она, превращаясь в пар, совершает работу. Поршень 6 будет перемещаться в цилиндре 1.

Воздействуя на жидкость, заставляет ее перетекать из рабочей полости 37 через канал 29 и направляющие лопатки 40 в роторно-поршневую полость 4. Воздействуя на серпообразные углубления 16 и торцевую часть ротора-поршня 4 со стороны крышки 21, закрученный поток жидкости заставляет, ротор-поршень 4, вращаясь, перемещаться к внутренней переборке 3, оказывая давление на жидкость между торцевой частью, обращенной к внутренней переборке 3, и переборкой 3, заставляя жидкость перетекать в буферную полость 5 через канал 39, сжимая находящийся там воздух.

При передвижении от крышки 21 к переборке 3 ротора-поршня 7 диск 11, вал которого размещен в подшипниках качения 13, обкатываясь по кольцевому наклонному пазу 9, заставляет ротор-поршень 7 и рабочий вал 8 с помощью шариков 17 фиксации ротора-поршня 7 от проворачивания на рабочем валу 8 вращаться в сторону закрученного потока жидкости.

При подходе к переборке 3 после закрытия впускного канала 30 клапаном 24 и открытия выпускного канала 31 клапаном 25 давление в приводной полости 38 цилиндра 1 резко падает, сжатый жидкостью воздух в буферной полости 5, расширяясь, воздействует на жидкость, заставляя ее перетекать на буферной полости 5 через канал 39 с направляющими лопатками 40 в роторно-поршневую полость 4. Закрученный в сторону вращения ротора-поршня 7 поток жидкости воздействует на серпообразные углубления 16 на торцевой части ротора-поршня 7, обращенной к переборке 3, создает дополнительный вращающий момент и заставляет ротор-поршень 7, вращаясь, передвигаться к крышке 21, при этом жидкость, находящаяся между торцевой частью ротора-поршня 7 и крышкой 21, перетекает через канал 29 в рабочую полость 37 цилиндра 1, заставляя поршень 6 в цилиндре 1, двигаться, к головке цилиндра 1 (к ВМТ), вытесняя из приводной полости 38 пар через патрубок 32 при открытом клапане 25 в конденсатор 33. Передача жидкостью производимого на нее давления и практически несжимаемость ее позволяет поршню 6 и ротору-поршню 7 приходить в исходное положение одновременно. При подходе поршня 6 к ВМТ закрывается выпускной клапан 31, открывается впускной клапан 24, и рабочий цикл повторяется. В конденсаторе 33 пар конденсируется и при температуре около 100^oC вода перекачивается конденсатным насосом 28 снова в коллектор (парогенератор). В результате вышеописанных усовершенствований уплотнительные кольца ротору-поршню не нужны.

Двигатель прост в изготовлении, может быть изготовлен на любом механическом заводе.

Двигатель может быть использован на водном транспорте и тепловых электростанциях (ТЭС). В основном предназначен для работы в блоке с атомным генератором пара и винтом регулируемого шага (ВРМ) в качестве главного двигателя.

Для перегрева пара непосредственно в цилиндре 1, при необходимости форсажа, во время работы двигателя, можно передавать теплоту в цилиндр с помощью пучка тепловых трубок или трубки 34.

Использование: в машиностроении и на водном транспорте в качестве главных двигателей и в качестве стационарных в энергетических установках ТЭС. Сущность изобретения: возвратно-поступательное движение поршня в малом цилиндре преобразуется в возвратно-поступательное движение ротора-поршня в большом цилиндре, преобразующиеся, в свою очередь, во вращательное движение рабочего вала. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Гидравлический двигатель, содержащий цилиндрический рабочий вал, блок цилиндров, поршни, отличающийся тем, что он снабжен малым цилиндром с патрубками, впускным и выпускным, сообщенным с конденсатором, клапанами и поршнем, установленным в цилиндре с образованием рабочей и приводной полостей, больший цилиндр разделен внутренней переборкой с выполненным в ней соединительным каналом с направляющими лопатками на буферную полость и роторно-поршневую полость, сообщенную с рабочей полостью малого цилиндра каналом с направляющими лопатками, размещенного под большим цилиндром параллельно оси ротора-поршня, размещенного в роторно-поршневой полости, со свободно размещенным в нем диском, вал которого размещен в подшипниках качения, размещенных в приливе на большем цилиндре, при этом ротор-поршень снабжен устройством от проворачивания на цилиндрическом рабочем валу с возможностью поступательного движения, в торцах поршня выполнены по окружности серпообразные углубления, при этом часть буферной полости, роторно-поршневая и рабочая полости заполнены маслом. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что на наружном конце вала диска, контактирующего с наклонно расположенным кольцевым пазом, размещен ротор генератора тока. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что через головку малого цилиндра пропущена тепловая трубка, входящая одним концом в цилиндр. 4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что поршень малого цилиндра выполнен с глухим отверстием с торца, обращенного к головке цилиндра, для входа в него тепловой трубки. 5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что ниже малого цилиндра размещен конденсатор. 6. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что на цилиндрическом рабочем валу закреплены кулачки для управления движением впускного и выпускного клапанов и эксцентрик для приведения в действие плунжерных топливного и конденсатного насосов.