СПИРАЛЬНО-ШТОКОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2002 года по МПК F01B3/04 

Изобретение относится к энергетике, может быть использовано в двигателях, преобразующих кинетическую энергию расширяющихся газов, передвигающих поршень, во вращательное движение выходного звена. Двигатель может быть использован на тепловых электростанциях, где продольное перемещение поршня от воздействий перегретого пара, подаваемого в цилиндры, будет преобразовано во вращение зубчатого колеса и электрогенератора. Также двигатель может применяться на автомобилях, тракторах, судах (надводных, подводных, воздушных) и тепловозах.

Известны конструкции двигателей внутреннего сгорания, у которых цилиндры с поршнями расположены на одной оси напротив друг друга и соединены штоком. В середине шток соединен с коленвалом, преобразующим поступательное движение поршней во вращательное (см. а. с. 118471, МКЛ F 01 В 9/02).

Недостатком такой конструкции является то, что при совершении поршнем рабочего хода, коленвал может сделать только полоборота и для дальнейшего вращения используется рабочий ход другого поршня или энергия вращения маховика. Указанный недостаток имеется во всех механизмах, использующих кривошип для преобразования поступательного движения во вращательное.

Известна конструкция волнового двигателя, где на внутренней поверхности поплавка, взаимодействующего с валом, выполнена перекрещивающаяся винтовая нарезка (см. патент 2653, МКЛ F 03 В 13/16).

Недостатком указанной конструкции является то, что при продольном передвижении поплавка в преобразовании поступательного движения во вращательное участвует винтовая нарезка только одного направления. В результате этого при его перемещении на длину шага витка вал сделает только один оборот. При большей величине перемещения частота вращения будет кратной шагу витка.

Наиболее близким по технической сущности является волновая электростанция, содержащая корпус и шестерню, снабженные закрепленными в них штифтами, которые располагаются в спиральных пазах вала (см. а. с. 1032210, МКЛ F 03 В 13/12).

Недостатком этой конструкции является то, что при обратном ходе поплавка со штоком шестерня вращается в другую сторону. Последовательное расположение спиральных пазов с противоположным направлением спиралей увеличивает габариты конструкции и снижает эффективность преобразования возвратно-поступательного движения [B-ПД] поплавка во вращение электрогенератора, а значит, и снижает КПД.

Заявляемое изобретение направлено на устранение вышеупомянутых недостатков, и от его использования может быть получен следующий технический результат: увеличение коэффициента полезного действия (КПД) двигателя путем повышения эффективности преобразования продольной силы, перемещающей поршень, во вращение выходного звена.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в штоковом двигателе штоки установлены друг против друга с возможностью поворота вокруг своей оси при продольном перемещении, на наружной поверхности каждого из которых выполнены профильные спиральные канавки противоположного направления, одни из которых через кинематическую связь взаимодействуют с корпусом, а другие - таким же образом с выходным звеном, между последним и спиральными канавками установлена муфта свободного хода для односторонней передачи крутящего момента. Кинематическая связь осуществляется посредством шариковой пары.

На фиг.1 представлен общий вид штокового двигателя в разрезе. На фиг.2 - разрез А-А по фиг.1.

Штоковый двигатель состоит из корпуса 1, поршней 2, 3 со штоками 4. 5, которые расположены друг против друга с возможностью поворота вокруг своей оси при продольном перемещении. На наружной поверхности штоков 4, 5 выполнены профильные спиральные канавки 6, 7 противоположного направления. В канавках 6, 7 соответственно размещены соответствующие шариковые пары 8, каждая из которых представляет собой кинематическое звено, служащее для взаимодействия одних из канавок 6 с корпусом 1, а других канавок 7 с выходным звеном - зубчатое колесо 9. Между выходным звеном и спиральными канавками 7 установлены муфты 10, 11 свободного хода для односторонней передачи крутящего момента.

Штоковый двигатель предложенной конструкции работает следующим образом. Поршень 2 перемещается от воздействия газов сгораемой топливовоздушной смеси или от давления других энергоносителей (пар, газ, жидкость), подаваемых в цилиндры, передвигает соответственно штоки 4, 5, которые за счет зацепления спиральными канавками 6 через кинематическое звено (шариковую пару) 8 с корпусом 1 поворачиваются вокруг своей оси. При своем вращении каждый шток 4, 5 поворачивает соответствующую муфту 10, 11 и находящееся с ним в зацеплении зубчатое колеcо 9. Муфта 10, 11, контактируя с шариковой парой 8 с профильными спиральными канавками 7 противоположного направления, также поворачивается от воздействия силы, передвигающей каждый шток 4, 5. В результате того, что муфты 10, 11 и зубчатое колесо 9 вращаются со штоками, а также поворачиваются самостоятельно от взаимодействия со спиральными канавками противоположного направления, то угол их поворота увеличивается в два раза.

Для возвращения поршня 2, штока 4 и муфты 10 в исходное положение перемещаем поршень 3. При его передвижении также происходит преобразование продольной силы во вращение. Муфта 11 передает крутящий момент только в одну сторону.

Предлагаемая конструкция штокового двигателя позволяет значительно повысить коэффициент полезного действия тепловых машин, в которых продольное перемещение поршня преобразуется во вращательное движение выходного звена.

Двигатель предназначен для использования в энергомашиностроении. Двигатель содержит корпус, поршни, штоки и выходное звено в виде зубчатого колеса. Штоки имеют профильные спиральные канавки противоположного направления и установлены с возможностью поворота вокруг оси, причем одни штоки через кинематическое звено взаимодействуют с корпусом, а другие - с выходным звеном, между последним и спиральными канавками установлены муфты свободного хода, а кинематическое звено выполнено в виде шариковой пары. Изобретение обеспечивает повышение кпд. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Спирально-штоковый двигатель, содержащий корпус, поршни, штоки и выходное звено, представляющее собой зубчатое колесо, отличающийся тем, что штоки установлены друг против друга с возможностью поворота вокруг своей оси при продольном передвижении, на наружной поверхности каждого из которых выполнены профильные спиральные канавки противоположного направления, одни из которых через кинематическое звено взаимодействуют с корпусом, а другие таким же образом - с выходным звеном, между последним и спиральными канавками установлены муфты свободного хода для односторонней передачи крутящего момента. 2. Спирально-штоковый двигатель по п.1, отличающийся тем, что кинематическое звено выполнено в виде шариковой пары.