МНОГОЦЕЛЕВАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1997 года по МПК F01B23/08 F02B71/04 F01C13/04 F04B9/10 

Изобретение относится к машиностроению преобразователям энергии: тепловой в гидравлическую или гидравлической в механическую. В первом назначении это гидронасос-двигатель внутреннего сгорания (гидро-ДВС), во втором компрессор или насос, приводимые гидромоторами гидропривода от энергетического двигателя.

Гидро-ДВС-генератор преобразует энергию сгорания топлива в передаваемую рабочей машине другой гидромашиной энергию потока рабочей жидкости. Второе назначение, передача гидравлической энергии компрессору или насосу, обеспечивается обратимостью установки.

Известна силовая установка, содержащая роторный агрегат в виде газовой турбины и турбокомпрессора, а также поршневую машину с механизмом преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное - вала. Этот механизм выполнен в виде коленчатого вала, опорного на вращаемые кривошипные опоры и имеющего малую шестерню, взаимодействующую с зубчатым колесом корпуса [1]
Она преобразует энергию сгорания топлива только в механическую энергию. В этой установке основные детали: коленчатый вал и шестерни передают крутящий момент двигателя одному потребителю от всех поршневых групп двигателя через шестерни в условиях маложестких опор и слабых шестерен. Установка является ненадежной и сложной. Другие установки также ненадежны [2]
Целью изобретения является придание многоцелевой силовой установке многофункциональности, повышение ее надежности, упрощение конструкции.

Указанная цель достигается тем, что механизм возвратно-поступательного движения и роторный механизм выполнены в виде одного агрегата с общими деталями. Механизм возвратно-поступательного движения поршней выполнен бесшатунным в виде коленчатого вала с роликовым барабаном кривошипной опоры, неподвижной шестерни с пазами. Роторный агрегат выполнен в виде обратимой планетарной гидромашины, имеющей цилиндрическую рабочую полость, вращающиеся замыкатели, установленные во вращающемся роторе, и взаимодействующие с лопастями корпуса.

Технические решения сводятся к обеспечению надежного взаимодействия этих обоих механизмов за счет использования свойств гипоциклоидального зацепления при соотношении диаметров взаимодействующих деталей 1:2.

При перпендикулярном к корпусу расположении поршней (фиг. 1) и двухпоршневой или однопоршневой секционности установки (не показаны) каждый замыкатель присоединен к своему коленчатому валу.

На фиг. 1 изображен продольный разрез двухпоршневой установки; на фиг. 2, 3, 4 поперечные разрезы установки А-А, Б-Б, В-В;
на фиг. 5 и 6 однопоршневая установка в продольном и поперечном Г-Г разрезах.

Многоцелевая силовая установка, например, генератор рабочей жидкости (гидро-ДВС), состоит из двигательной и насосной частей.

Гидро-ДВС имеет цилиндры 1, установленные перпендикулярно трубчатому корпусу 2. В цилиндрах, установленных по бокам насосной части имеются поршни 3 со штоками 4. Механизмы привода насоса выполнены в виде пары одноколенных коленчатых валов, противоположно установленных на кривошипных опорах 6 и роторе 7 насоса. Центральная шейка 5 коленчатого вала размещена в подшипнике 8 конца штока 4.

Коленчатый вал имеет щеки и опорные шейки: трубчатую шейку 9, установленную в подшипнике 10 кривошипной опоры 6, и цилиндрическую шейку 11, установленную в подшипнике 12 ротора 7. Шейка 9 щлицами 13 соединена с барабаном 14, имеющем продольные гнезда, в которых установлены ролики 15, ограниченные в пазах кольцами 16. Ролики последовательно входят в продольные разы 17 шестерни 18, находясь в контакте с их поверхностью при повороте барабана. Число роликов 15 вдвое меньше числа пазов шестерни 18.

Подшипник 10 установлен в кольце 19 эксцентрично, на размере радиуса кривошипа коленвала 5, установленного в опоре 6. Эксцентричная опора 6 и ротор 7 вращаются на подшипниках 20.

В двухпоршневой установке между цилиндрами 1, установлена гидромашина-насос, замыкатели 21 которой соединены с шейками 11 шлицами. Ротор 7 (фиг. 2) составлен из двух дисков, соединенных воедино штифтами 22. Замыкатели вставлены в продольные отверстия ротора, отнесенные от центра вращения ротора на величину радиуса кривошипа коленчатого вала. Во внутренние отверстия замыкателей 21 вставлены консольные опоры 23 от дисков 24. В серединах консольных опор 23 выполнены проточки 25, с поверхностями контактирующими с поверхностями двух, входящих в рабочую полость 26, неподвижных лопастей 27, проходящих через окна трубчатых замыкателей 21, вращающихся вместе с ротором 7. Кроме того замыкатели 21 планетарно вращаются в гнездах ротора вместе с шейками 11 коленчатого вала. За один оборот ротора замыкатели совершают два оборота. Определяется огибание ими лопастей 27 и бесскользящая обкатка круговой наружной поверхности двух рабочих полостей 26.

Чтобы исключить проскок жидкости из напорной магистрали обратно в рабочую полость 26 по бокам лопастей 27 установлены ползунки 28, подымаемые к кромкам окон замыкателей пружинами 29. В лопастях 27 имеются распределительные каналы: с одной стороны всасывающие 30, с другой стороны нагнетательные 31.

Насос обеспечивает два независимых потока жидкости, являясь делителем мощности. Соединение одноименных каналов может дать единый поток. Привод вспомогательных агрегатов гидро-ДВС, как-то систем топливо-подачи, газораспределения, смазки и т.п. осуществляется от кулачков 32 с толкателями 33.

Однопоршневая установка (фиг. 5-6) имеет один одноколенный вал 5 и один замыкатель 34, служащий также опорой при передаче крутящего момента ротору 7 гидромашины.

Для этого в отверстиях трубчатого замыкателя 34 с боковыми буртами установлены ролики 35. В рабочей полости 26 размещена шестерня 36 с пазами 37. Имеется вал 38 для привода вспомогательных систем гидро-ДВС.

Как в варианте с отдельным опорным узлом (детали 14-19 на фиг. 1), так и с опорным узлом в виде замыкателей с роликами. Ролики помещены в гнезда барабана по посадке скольжения. Обеспечивается передача сил при напряжениях смятия поверхностей пазов корпусных шестерен. Усилия передаются через ролики, скользящими по поверхностям пазов барабанов.

В картере двигателя установлены направляющие 39 штока и поддон 40. Многоцелевые силовые установки в качестве компрессора, вакуум-насоса или многоцелевого насоса, приводимыми обратимыми гидромашинами-гидромоторами оснащаются соответствующими клапанами системами (не показаны).

Многоцелевая силовая установка работает следующим образом.

При поочередном сгорании топлива в силовых цилиндрах 1 поршни 3 заставляют штоки 4 двигаться возвратно-поступательно. Это приводит во вращение коленчатые валы 5, которые, в свою очередь, вращают жестко связанные с ними барабаны 14 с роликами 15, являющимися одновременно и приводами для замыкателей 21. При этом барабаны 14 опираются своими цапфами на подшипники кривошипных опор 6. Вращение шейки 11 вала, соединенной за одно целое с замыкателем 21, заставляет вращаться и ротор 7 насоса. Совершая планетарное движение вместе с ротором 7 на определенных участках оба замыкателя наружными поверхностями обкатываются по круговым поверхностям внутри корпуса насоса и двигаясь в полости 26, перешагивают выступающие в рабочую полость 26 лопасти 27, не прерывал при этом постоянного контакта с ползунками 28 и поверхностью круговой полости, создавая надежное уплотнение. Это позволяет при взаимодействии замыкателей 21 с вытеснительными лопастями 27 эффективно нагнетать рабочую жидкость в каналы лопастей 27, а из них в патрубки магистралей рабочих гидромоторов-потребителей (не показаны).

При обратном действии установки, т.е. при подаче рабочей жидкости под давлением в гидромашину-гидромотор должно начаться возвратно-поступательное движение штоков 4 и поршней 3 в силовых цилиндрах 1, используемых для нагнетания газов или перекачиваемой жидкости. В таких условиях комбинированная силовая установка может служить компрессором или насосом загрязненных жидкостей.

Во всех случаях обеспечивается надежный безизносный контакт поверхностей роликов и поверхностей пазов шестерен в условиях хорошей смазки и охлаждения поверхностей деталей жидкостью, вытесняемой из пазов при неподвижном контакте поверхностей ролика с поверхностью пазов корпусных деталей и скольжения большой поверхности роликов по поверхности их пазов.

Основное преимущество предложенного технического решения повышение надежности тяжело нагруженных деталей, особенно зубчатых соединений. Упрощается конструкция многоцелевой силовой установки за счет исключения гидрораспределителей и специального преобразующего механизма. Расширяются технологические возможности такой установки, материальная часть которой используется в качестве не только генератора рабочей жидкости, но также и в виде компрессора, насоса или вакуум-насоса.

Многоцелевая силовая установка относится к машиностроению и может быть использована в качестве преобразователя энергии; тепловой в гидравлическую или гидравлической в механическую, т.е. в качестве гидро-ДВС, компрессора, вакуум-насоса, многоцелевого насоса и т.п. Установка содержит поршневую машину и обратимую роторную гидромашину. Применение гипоциклоидного внутреннего зацепления роликов и пазов шестерни корпуса при передаточном отношении, равном 1: 2, создает условия для такого планетарного движения замыкателей, при котором они перешагивают выступающие в рабочую полость лопасти насоса, закрепленные на его корпусе, не задевая их, и эффективно вытесняют рабочую жидкость в магистраль. В механизмах установки обеспечено взаимодействие силовых деталей в условиях качения. 1 з. п. ф-лы, 6 ил.

1. Многоцелевая силовая установка, содержащая роторный агрегат, поршневую машину с механизмом возвратно-поступательного движения поршней, выполненный в виде коленчатого вала, вращающихся кривошипных опор, зубчатого зацепления шестерни коленчатого вала с шестерней корпуса, осущестляющего связь коленчатого вала с корпусом установки, причем коленчатый вал установлен в кривошипных опорах с возможностью взаимодействия его шестерни с шестерней корпуса при передаточном отношении 1 2, а эксцентриковая шейка коленчатого вала кинематически связана с поршнями, отличающаяся тем, что роторный агрегат выполнен в виде обратимой гидромашины объемного действия с кольцевой рабочей полостью, снабженной неподвижными лопастями с каналами подвода и отвода рабочей среды, цилиндрическими барабанными замыкателями, в средней части имеющими окна, ротор, имеющий цилиндрические продольные гнезда, в которые вставлены замыкатели, причем замыкатели, установлены в гнездах ротора с возможностью планетарного движения и взаимодействия с лопастями и соединены с отдельными коленчатыми валами, а шестерня коленчатого вала, осуществляющая связь коленчатого вала с шестерней корпуса, выполнена в виде барабана с продольными пазами по периферии, в которых установлены ролики, взаимодействующие с гнездами корпуса в условиях неподвижного контакта. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что связь коленчатого вала с корпусом установки осуществлена цилиндрическим барабанным замыкателем с роликами, взаимодействующими с пазами шестерни корпусных деталей в условиях неподвижного контакта.