ГИДРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2001 года по МПК F01C13/00 

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

Известен пневматический двигатель сверлильной машины, содержащий корпус с закрепленными внутри параллельно валу цилиндрами, пневматически соединенными с распределительным устройством, установленным на одном конце вала двигателя, а на другом его конце размещена наклонная шайба, контактирующая с выступами поршней, вставленных в цилиндры, пусковой пневматический клапан. (И. И. Артоболевский, Механизмы в современной технике, М., Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1981, с. 396, N 3886).

Недостатками известного пневматического двигателя являются большой расход сжатого воздуха, сильный шум при работе.

Указанные недостатки обусловлены конструкцией двигателя.

Известен также аксиально-поршневой гидромотор, содержащий цилиндрический корпус, внутри которого размещен вал двигателя, на котором установлен блок цилиндров, в каждый из которых вставлен поршень, оканчивающийся роликом, взаимодействующим с кулачком, имеющим периодически повторяющуюся поверхность переменной высоты, причем кулачок и распределитель, связанный с входным и выходным трубопроводами, закреплены неподвижно соответственно спереди и сзади корпуса гидромотора. (А.Ф. Крайнев, Словарь-справочник по механизмам, М., Машиностроение, 1981, с. 13-14).

Известный аксиально-поршневой гидромотор, как наиболее близкий по технической сущности и достигаемому полезному результату, принят за прототип.

Недостатками известного аксиально-поршневого гидромотора являются низкий КПД, большой расход жидкости, неравномерность хода, невозможность изменения частоты вращения вала гидромотоpa.

Указанные недостатки обусловлены наличием преобразователя поступательного движения во вращательное, пульсацией жидкости и конструкцией гидромотора.

Целью изобретения является повышение эксплуатационных качеств гидромотора.

Указанная цель, согласно изобретения, обеспечивается тем, что блок цилиндров, поршни с пружинами и роликами, кулачок с поверхностью переменной кривизны заменены ротором, представляющим собой кулисно-кулачковый механизм, установленный на валу гидродвигателя, маховиком, имеющим зубчатый венец и закрепленным на переднем конце вала гидродвигателя, генератором электрического тока, ведомая шестерня которого входит в зацепление с зубчатым венцом маховика, двумя или более реакторами, одинаковыми по конструкции, каждый из которых представляет собой прямоугольный корпус, разделенный перегородкой на верхнюю и нижнюю части и имеющий входной и выходной патрубки, внутри нижней части которого размещены в несколько рядов газовые генераторы, одинаковые по конструкции, каждый из которых представляет собой автоматически закрываемые и открываемые контейнеры, внутри которых размещены активные элементы, выполненные из металла или сплава цериевой и иттриевой групп семейства лантонойдов, реечным механизмом управления, связанным с подвижными элементами газовых генераторов и расположенным в верхней части корпуса реактора, расходным баком, гидравлически соединенным через впускные клапаны и запорные краны с реакторами, которые через запорные краны, вспомогательный кран и распределительный кран гидравлически подключены к входной полости гидродвигателя, циклоном, гидравлически соединенным с выпускной полостью гидродвигателя и расходным баком, а пневматически соединенным с атмосферой, баком для хранения рабочего тела, гидравлически соединенным через запорный кран с расходным баком, причем в качестве рабочего тела использована дистиллированная вода, гидравлической системой управления двигателем, содержащей фиксатор минимальных оборотов, рычаг управления, связанный с гидравлическим краном управления, масляный бак, два масляных насоса с редукционными клапанами, приводимые в движение от электродвигателя, гидроцилиндра, соединенного гидравлически с вышеперечисленными деталями, шток которого связан с рычагами управления реакторами, центробежным регулятором частоты вращения вала двигателя, кинематически связанным с системой управления двигателем и управляемым золотником.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фигуре 1 изображен общий вид гидрогазодинамического двигателя, на фигуре 2 - вид на гидрогазодинамический двигатель сверху; на фигуре 3 - схема гидрогазодинамического двигателя; на фигуре 4 - устройство реактора в разрезе; на фигуре 5 - общий вид газового генератора с частичным разрезом; на фигуре 6 -разрез по АА фигуры 5; на фигуре 7 - расположение деталей газового генератора при минимальном режиме работы; на фигуре 8 - расположение деталей газового генератора в выключенном положении; на фигуре 9 - общий вид механизма управления газовыми генераторами; на фигуре 10 - вид слева на механизм управления газовыми генераторами; на фигуре 11 - устройство запорного крана; на фигуре 12 - устройство циклона в разрезе; на фигуре 13 - схема привода генератора электрического тока; на фигуре 14 - схема привода распределительного крана; на фигуре 15 - гидравлическая система управления двигателем; на фигуре 16 - устройство фиксатора минимальных оборотов; на фигуре 17 - схема регулятора частоты вращения вала двигателя.

Гидрогазодинамический двигатель содержит корпус 1 цилиндрического типа, внутри которого установлен кулисно-кулачковый гидродвигатель, содержащий корпус 2, закрытый передней 3 и задней 4 крышками, внутри которого размещен ротор 5, закрепленный на валу 6, пропущенному через отверстия в передней и задней крышек. В роторе выполнены три радиальных паза 7, в которые вставлены лопасти 8, каждая из которых имеет ролик 9, входящий в криволинейный профилированный паз 10, выполненный на задней крышке. Гидродвигатель имеет впускную 11 и выпускную 12 полости. На переднем конце вала установлен маховик 13, имеющий зубчатый венец, входящий в зацепление с шестерней 14 привода генератора электрического тока 15. На заднем конце вала закреплена шестерня 16, входящая в зацепление с ведомой шестерней 17, установленной на нижнем конце вертикального вала 18, на верхнем конце которого закреплен эксцентрик 19, взаимодействующий с рамкой 20, соединенной с золотником 21, имеющим перепускное отверстие 22 и вставленным в корпус 23 гидравлического распределительного крана. Расходный бак 24 соединен гидравлически через впускные клапаны 25, 26 и запорные краны 27, 28 с двумя реакторами 29, 30, одинаковыми по конструкции, количество которых может быть более двух. Каждый из них содержит корпус 31, разделенный перегородкой 32 на нижнюю и верхнюю части и сверху закрыт крышкой 33. Нижняя половина корпуса имеет входной 34 и выходной 35 патрубки. Внутри ее установлены в несколько рядов газовые генераторы 36, одинаковые по конструкции. Каждый из них содержит ⊥ - образный стержень 37, привернутый к корпусу реактора болтами 38 и имеющий боковые продольные пазы, в которые запрессованы активные элементы 39, выполненные из металла или сплава, относящегося к цериевой и иттриевой группам семейства лантонойдов. Сверху на стержень надет стакан 40, имеющий сквозные боковые продольные пазы 41 и выполненный заодно с валом 42, на верхней части которого закреплена шестерня 43. Вал имеет сальник 44 и поджимную гайку 45. Оба механизма управления газовыми генераторами одинаковы по конструкции и размещены в верхних частях корпусов реакторов, каждый из которых содержит зубчатые рейки 46, 47, 48, установленные в направляющих 49 и входящие в зацепление с шестернями газовых генераторов и шестернями 50, 51, 52, закрепленными на поперечном валу 53, установленном в подшипниках 54 и соединенного с рычагом 55. Оба реактора через запорные краны 56, 57, распределительный кран и управляемый золотник 58 посредством трубопроводов соединены с входной полостью гидродвигателя, выходная полость которого соединена с циклоном 59, содержащим корпус 60, имеющий входной 61 и выходной 62 патрубки, внутри которого закреплена выхлопная труба 63, имеющая спиральные ребра 64. Выходной патрубок циклона посредством трубопровода соединен с расходным баком. Реакторы имеют манометры 65 и предохранительные клапаны 66, полости которых посредством трубопроводов соединены с входным патрубком циклона. Один из реакторов через вспомогательный кран 67 соединен с впускной полостью гидродвигателя. Всасывающий клапан 68 соединяет впускную полость гидродвигателя с расходным баком, который через запорный кран 69 трубопроводом соединен с баком 70 для хранения воды. Внутренние полости нижних частей реакторов, расходный бак, бак для хранения воды и соединяющие их трубопроводы заполнены дистиллированной водой, которая является рабочим телом гидрогазодинамического двигателя. Гидравлическая система управления гидрогазодинамическим двигателем содержит гидроцилиндр 71, внутрь которого вставлен поршень 72, делящий внутреннее пространство на две полости 73 и 74. Поршень соединен со штоком 75, который связан шарнирно с рычагами управления газовыми генераторами обоих реакторов. Гидравлический кран управления состоит из корпуса 76, внутрь которого вставлен золотник 77, имеющий перепускные отверстия 78, 79, нагруженный пружиной 80 и соединенный с рычагом управления 81. Гидравлический кран управления и гидроцилиндр посредством трубопроводов соединены с масляным баком 82 и масляными насосами 83, 84, имеющими редукционные клапаны 85,86 и приводимыми в движение электродвигателем, не показанным на чертеже и питаемым от аккумуляторной батареи. Оба реактора имеют фиксаторы минимальных оборотов, каждый из которых содержит стержень 87, входящий своим верхним концом в полукруглый паз 88, сделанный в головке рычага управления газовыми генераторами. Стержень вставлен в отверстие, выполненное в бобышке реактора, нагружен пружиной 89 и в нижней части оканчивается гайкой с кольцом 90. К кольцу прикреплен тросик, не показанный на чертеже и выведенный на пульт управления двигателем. Регулятор частоты вращения вала двигателя содержит горизонтальный вал 91, установленный в подшипнике, на одном конце которого закреплена шестерня 92, входящая в зацепление с шестерней привода распределительного крана, а на другом конце установлена вилка 93, на концах которой размещены грузики 94, контактирующие своими выступами с диском 95, закрепленным на конце прямоугольного стержня 96, установленного в направляющих и имеющего сверху рычаг 97, соединенный тягой 98 с рычагом управляемого золотника, а снизу кронштейн 99 с чашкой 100, в которую вставлен один конец пружины 101, второй конец которой вставлен в чашку 102, закрепленную на штоке гидроцилиндра системы управления гидрогазодинамическим двигателем. Все запорные краны одинаковы и содержат корпус 103, внутрь которого вставлен золотник 104 с отверстием 105, соединенный с ручкой 106.

Работа гидрогазодинамического двигателя.

Работа гидрогазодинамического двигателя основана на использовании способности металлов цериевой и иттриевой групп семейства лантонойдов при соприкосновении с водой разлагать ее на водород и кислород при обычных условиях. /А.И. Бусев, И.П. Ефимов, Словарь химических терминов, пособие для учащихся, М., Просвещение, 1971, с. 91-92/.

Для запуска гидрогазодинамического двигателя необходимо открыть запорные краны 27, 28. После чего включить электродвигатель привода масляных насосов 83, 84, не показанный на чертеже. При этом масло из масляного бака 82 станет подаваться в полости 73, 74 гидроцилиндра 71. Так как давление в обеих полостях одинаково, то поршень 72 будет неподвижен и располагаться в средней части. Далее необходимо передвинуть влево ручку 81 управления двигателем (фиг. 15). Золотник 77 гидравлического крана управления передвинется в ту же сторону и перепускное отверстие 78 соединит полость 74 гидроцилиндра 71 с масляным баком 82. В результате давление в этой полости уменьшится, а в полости 73 останется прежним и поршень 72 станет перемещаться вправо и повернет по часовой стрелке рычаги 55 реакторов 29,30 и сожмет немного пружину 101 регулятора частоты вращения вала двигателя. При этом вместе с рычагами повернутся поперечные валы 53 с шестернями 50, 51, 52, которые передвинут зубчатые рейки 46, 47, 48 и повернут шестерни 43 газовых генераторов 36. Вместе с последними повернутся стаканы 40 и сквозные пазы 41 частично откроют активные элементы 39, как показано на фигуре 7. Под действием пружин 89 стержни 87 фиксаторов минимальных оборотов войдут в полукруглые пазы 88 и будут препятствовать полному отключению газовых генераторов 36 реакторов 29, 30, обеспечивая минимальное соприкосновение активных элементов 39 с водой. При соприкосновении активных элементов 39 с водой начинается ее разложение на водород и кислород с образованием молекул H₂ и O₂. Образовавшиеся газы накапливаются в нижних частях реакторов 29, 30 и повышают в них давление, которое может контролироваться по манометрам 65. Как только давление газов в реакторах достигнет необходимой величины открытием запорных кранов 56, 57, включается двигатель. При этом попеременно через перепускное отверстие 22 золотника 21 распределительного крана 23 внутренняя полость каждого из реакторов подключается к впускной полости кулисно-кулачкового гидродвигателя. Газоводяная смесь под давлением выбрасывается попеременно из каждого реактора во впускную полость 11 гидродвигателя, производит давление на лопасти 8, заставляя вращаться вал 6 гидродвигателя, а вместе с ним и маховик 13, который своим зубчатым венцом приводит во вращение ведомую шестерню 14 генератора электрического тока 15, а ведущая шестерня 16 приводит в движение ведомую шестерню 17 и вместе с ней вал 18 и эксцентрик 19, который через рамку 20 перемещает золотник 21 распределительного крана 23 попеременно в ту и другую сторону. Для получения необходимого давления в реакторах и наилучшего его использования в гидродвигателе передаточное отношение ведущей шестерни 16 и ведомой шестерни 17 привода распределительного крана 2:1. Совершив работу по перемещению лопастей 8 и вращению вала 6 гидродвигателя, газоводяная смесь поступает в выпускную полость 12 гидродвигателя, а затем в циклон 59, где проходит через винтовой желоб и приобретает вращательное движение. Под действием центробежной силы вода отбрасывается на стенки циклона и стекает вниз, затем по трубопроводу возвращается в расходный бак 24, а водород и кислород через выхлопную трубу 63 выбрасывается в атмосферу. Как только был произведен выброс газоводяной смеси из того или иного реактора, открывается один из впускных клапанов 25,26 и новая порция воды из расходного бака 24 поступает в один из реакторов 29, 30 и все повторяется снова. Если давление в реакторах превысит максимальную величину, то часть газоводяной смеси через предохранительные клапаны 66 выбрасывается по трубопроводу в циклон 59. Если после открытия запорных кранов 56, 57 вал 6 гидродвигателя не вращается вследствие того, что перепускное отверстие 22 золотника 21 находится в среднем положении и не может соединить впускную полость 11 гидродвигателя ни с одним из реакторов, необходимо открыть на короткое время, а затем снова закрыть вспомогательный кран 67. Газоводяная смесь поступит во впускную полость 11 гидродвигателя, минуя распределительный кран 23, и повернет вал гидродвигателя и тем самым выведет золотник 21 распределительного крана 23 из мертвой зоны. Для увеличения мощности и частоты вращения вала двигателя необходимо снова передвинуть ручку 81 влево и, как было описано выше, поршень 72 гидроцилиндра 71 сместится вправо и передвинет в ту же сторону шток 75, который повернет рычаги 55 на больший угол и вместе с ними валы 53 с шестернями 50, 51, 52 передвинут еще дальше зубчатые рейки 46, 47, 48, которые повернут стаканы 40 на больший угол, открывая еще больший доступ воды к активным элементам 39. Это ведет к увеличению процесса разложения воды, возрастанию количества выделяемых водорода и кислорода и увеличению давления внутри реакторов 29, 30. Давление газоводяной смеси, поступающей во впускную полость 11 гидродвигателя, увеличится и вал 6 станет вращаться быстрее с увеличенной мощностью. Для уменьшения частоты вращения вала 6 необходимо ручку управления 81 передвинуть вправо. При этом перепускное отверстие 79 золотника 77 распределительного крана 76 соединит полость 73 гидроцилиндра 71 с масляным баком 82. Давление в этой полости уменьшится, а у другой полости останется прежним. Поршень 72 станет смещаться влево и передвинет в ту же сторону шток 75 и повернет рычаги 55 и с ними поперечные валы 53 с шестернями 50, 51, 52. Зубчатые рейки 46, 47, 48 передвинутся в противоположную сторону и через шестерни 43 повернут стаканы в обратную сторону, уменьшив поверхность активных элементов 39, соприкасающихся с водой и тем самым количество вырабатываемых водорода и кислорода. Это уменьшит давление в реакторах 29, 30 и приведет к уменьшению частоты вращения вала 6 гидродвигателя. При этом перемещение штока в этом направлении ограничено стержнями 87 фиксаторов минимальных оборотов, которые не позволят полностью изолировать активные элементы 39 от воды /фиг. 7/. Резкое уменьшение подачи газоводяной смеси во впускную полость 11 вызовет в ней разрежение из-за того, что маховик 13 не успеет снизить частоту вращения. В этом случае откроется всасывающий клапан 68 и часть воды из расходного бака 24 поступит во впускную полость гидродвигателя. По мере уменьшения воды в расходном баке 24 она пополняется при открытии запорного крана 69 из бака 70. При работе реакторов реакция разложения воды необратима и соединения вновь водорода с кислородом не происходит. Во-первых, водород и кислород из атомарных газов сразу же превращаются в молекулярные, а во-вторых, для их соединения необходима высокая температура, еще лучше пламя. Разложение воды происходит при комнатной температуре. В процессе работы двигателя частота вращения вала 6 определяется местом расположения поршня 72 в гидроцилиндре 71. В зависимости от того, насколько продвинут вправо шток 75, изменяется сила действия пружины 101 регулятора частоты вращения вала двигателя. При передаче вращения от шестерни 17 на шестерню 92 вместе о ней вращается вал 91 с вилкой 93 и грузиками 94. При увеличении частоты вращения вала двигателя по какой-либо причине сверх того, что определяется положением поршня гидроцилиндра и соответственно силой пружины 101, увеличивается центробежная сила. Под действием увеличившейся центробежной силы грузики 94 движутся влево и своими выступами нажимают на диск 95, передвигая влево стержень 96 и вместе с ним рычаг 97, который через тягу 98 поворачивает управляемый золотник 58, уменьшая проходное сечение и количество газоводяной смеси, подаваемой во впускную полость 11 гидродвигателя. При уменьшении частоты вращения вала гидродвигателя ниже той, что установлена силой действия пружины 101 и положением поршня 72 в гидроцилиндре 71, уменьшается центробежная сила. Грузики 93 под действием пружины 101, действующей через стержень 96 и диск 95, перемещаются вправо ближе к центру вращения. Рычаг 97 через тягу 98 поворачивает управляемый золотник 58, увеличивая проходное сечение и количество газоводяной смеси, подаваемой во впускную полость. Частота вращения вала гидродвигателя возрастает до необходимой величины. Для остановки двигателя необходимо уменьшить частоту вращения вала 6. Ручка управления 81 поворачивается вправо и в ту же сторону передвигает золотник 77. Перепускное отверстие 79 соединяет полость 73 гидроцилиндра 71 с масляным баком 82. Давление масла в этой полости уменьшается и поршень 72 передвигается влево и шток 75 поворачивает рычаги 55. Стаканы 40 газовых генераторов 36 поворачиваются и закрывают поверхности активных элементов 39 до положения, показанного на фигуре 7. Рычаги 55 упираются в стержни 87 фиксаторов минимальных оборотов. Посредством тросиков, не показанных на чертеже, с пульта управления стержни выводятся из пазов 88, сжимая пружины 89. После чего ручка управления 81 снова поворачивается вправо и полностью выключает газовые генераторы 36 у обоих реакторов 29, 30, изолируя активные элементы 39 от воды /фиг. 8/. После этого закрываются запорные краны 27, 28, 56, 57 и выключается электродвигатель привода масляных насосов 83, 84. Положительный эффект изобретения: не требует органического топлива, частота вращения вала двигателя и мощность могут изменяться в больших пределах.

Двигатель предназначен для преобразования гидравлической энергии в механическую. Гидрогазодинамический двигатель содержит гидродвигатель, впускная полость которого через распределительный кран и запорные краны соединена с выходными патрубками реакторов, входные патрубки которых соединены через запорные краны и впускные клапаны с расходным баком, соединенным с баком для хранения рабочего тела, причем выпускная полость гидродвигателя соединена с винтовой полостью циклона, выходной патрубок которого соединен с расходным баком, а внутренняя полость циклона через выхлопную трубу связана с атмосферой, кроме того, внутри реакторов размещены газовые генераторы, каждый из которых представляет собой автоматически открываемый и закрываемый контейнер, внутри которого установлены активные элементы, представляющие собой вставки, выполненные из металла или сплава, относящегося к цериевой и иттриевой группам семейства лантонойдов. Гидравлическая система управления двигателем, включающая в себя регулятор частоты вращения вала гидродвигателя, кинематически связана с механизмами управления газовыми генераторами реакторов. В качестве рабочего тела использована дистиллированная вода, которой заполнены расходный бак, бак для хранения воды, реакторы и трубопроводы. Изобретение обеспечивает повышение эксплуатационных качеств гидродвигателя. 4 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Гидрогазодинамический двигатель, содержащий корпус, вал, размещенный внутри корпуса, распределительный механизм, кинематически связанный с валом, механизм управления, отличающийся тем, что вал упомянутого выше двигателя является валом гидродвигателя, размещенного внутри корпуса, на переднем конце которого закреплен маховик с зубчатым венцом, входящим в зацепление с шестерней привода генератора электрического тока, а на заднем конце этого вала установлена шестерня, входящая в зацепление с ведомой шестерней привода распределительного крана, причем впускная полость гидродвигателя через распределительный кран, запорные краны подключены к выходным патрубкам двух или более реакторов, входные патрубки которых через запорные краны и впускные клапаны гидравлически соединены с расходным баком, который соединен с баком для хранения рабочего тела, кроме того, выпускная полость гидродвигателя гидравлически соединена с внутренней спиральной полостью циклона, выходной патрубок которого гидравлически соединен с расходным баком, а внутренняя полость циклона через выхлопную трубу пневматически связана с атмосферой, причем система управления двигателем, включающая в себя регулятор частоты вращения вала, кинематически соединена с системой управления реакторами. 2. Гидрогазодинамический двигатель по п.1, отличающийся тем, что реакторы имеют одинаковое устройство и каждый из них содержит прямоугольный корпус, закрытый сверху крышкой и разделенный перегородкой на верхнюю и нижнюю части, последняя из которых имеет входной и выходной патрубки, а внутри расположенные в несколько рядов газовые генераторы, механизм управления которыми размещен в верхней части корпуса реактора и соединен с рычагом, связанным с фиксатором минимальных оборотов и размещенным снаружи корпуса. 3. Гидрогазодинамический двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что все газовые генераторы одинаковы по конструкции и каждый из них представляет собой автоматически открывающийся и закрывающийся контейнер, внутри которого установлены активные элементы, представляющие собой вставки, выполненные из металла или сплава, относящегося к цериевой и иттриевой группам семейства лантонойдов. 4. Гидрогазодинамический двигатель по одному из пп.1 - 3, отличающийся тем, что система управления двигателем содержит масляный бак, масляные насосы, кран управления, гидроцилиндр и кинематически связана с механизмами управления газовыми генераторами реакторов и центробежным регулятором частоты вращения вала двигателя. 5. Гидрогазодинамический двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела использована дистиллированная вода.