СПИРАЛЬНО-ШТОКОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2002 года по МПК F03B3/04 

Изобретение относится к энергетике, а именно к тепловым двигателям, преобразующим кинетическую энергию расширяющихся газов сгораемого топлива в механическую работу. К двигателям, у которых продольное перемещение поршня от давления расширяющих газов преобразуется во вращательное движение выходного звена. Изобретение может использоваться в любых механизмах, преобразующих продольное движение поршня во вращательное движение выходного звена (паровая машина, двигатель Стирлинга и т.п.).

Известна конструкция поршневого двигателя внутреннего сгорания, у которого цилиндры с поршнями расположены на одной оси напротив друг друга и соединены между собой штоком. В середине шток соединен с коленвалом, преобразующим поступательное движение поршней во вращательное движение маховика (см. а/с 118471).

Недостатком названной конструкции является то, что при совершении поршнем рабочего хода, коленвал может сделать только полоборота и для дальнейшего вращательного движения требуется использовать рабочий ход другого поршня или накопленную энергию вращения маховика. Указанный недостаток присутствует во всех механизмах, использующих кривошипно-шатунный механизм для преобразования поступательного движения во вращательное движение.

Известны конструкции механизмов, в которых с целью преобразования поступательного движения поплавка во вращательное движение зубчатого колеса, используется шток со спиральными канавками, имеющими противоположное направление (см. а/с 1032210 и советский патент 2653, кл. 88 В3 1923 года).

Недостатком указанных конструкций является то, что при обратном ходе поплавка и штока, зубчатое колесо после остановки также начинает вращаться в обратном направлении. Кроме того, высокое удельное давление, действующее на пальцы, вызывает заклинивание подшипников, приводящее к поломке механизма.

Заявляемое изобретение направлено на устранение вышеупомянутых недостатков, и от его использования может быть получен следующий технический результат - увеличение коэффициента полезного действия поршневого двигателя путем увеличения частоты вращения выходного звена при продольном перемещении поршня во время рабочего хода.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в спирально-штоковом двигателе штоки расположены друг против друга с возможностью поворота вокруг своей оси при продольном перемещении, на наружной поверхности каждого из которых выполнены спиральные поверхности противоположного направления, одни из которых через кинематическую связь контактируют с корпусом, а другие - таким же образом с выходным звеном. Между последним и спиральной поверхностью расположена муфта свободного хода для односторонней передачи крутящего момента. Кинематическая связь между спиральными поверхностями, образующими многогранник, и корпусом осуществляется посредством валов, установленных в корпусе на подшипниках. Кинематическая связь между спиральными поверхностями противоположного направления и выходным звеном осуществляется также через валы и через муфту свободного хода.

На фиг. 1 изображен общий вид штокового двигателя в разрезе; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.

Спирально-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 спиральные поверхности 6, 7 противоположного направления. Спиральные поверхности контактируют с соответствующими валами 8, которые представляют собой кинематическое звено, служащее для взаимодействия одних из спиральных поверхностей 6 с корпусом 1, других спиральных поверхностей 7 противоположного направления с муфтой 10 и с выходным звеном - зубчатое колесо 9. Между выходным звеном и спиральными поверхностями 7 установлены вместе с кинематическим звеном муфты 10, 11 свободного хода для односторонней передачи крутящего момента.

Спирально-штоковый двигатель предложенной конструкции работает, т.е. преобразовывает возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение выходного звена следующим образом: поршень 2 продольно перемещается от воздействия расширяющихся газов сгораемой топливо-воздушной смеси или от давления других энергоносителей (водяной пар, газ, жидкость), подаваемых в цилиндры двигателя. Поршень передвигает соответственно штоки 4, 5, которые за счет контакта спиральными поверхностями 6, через кинематическое звено (валы 8) с корпусом 1, поворачиваются вокруг своей оси. При своем вращении каждый шток 4, 5 поворачивает соответствующую муфту 10, 11 и находящееся с ними в зацеплении зубчатое колесо 9. Муфты 10, 11, контактируя установленными в ней валами 8 (кинематическое звено) со спиральными поверхностями 7 противоположного направления, также поворачиваются 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 поверхностями противоположного направления, то угол их поворота увеличивается в два раза.

При конструктивном исполнении, когда шаги спиральных поверхностей левого 6 и правого 7 направлений равны и рабочий ход поршня 2, 3 равен шагу спиралей, то зубчатое колесо 9 будет совершать два полных оборота на один полный рабочий ход поршня. Для сравнения: применяемый в конструкциях поршневых двигателей внутреннего сгорания преобразователь возвратно-поступательного движения поршня (кривошипно-шатунный механизм) во вращательное движение выходного звена (маховик), позволяет на один полный рабочий ход поршня повернуть выходное звено только на половину оборота.

Эффективность преобразования продольной силы, передвигающей поршень, во вращение зубчатого колеса при указанном условии увеличивается в четыре раза. Изменяя величину шагов спиральных поверхностей и хода поршня, можно и изменять конечный результат. С увеличением шага спиральных плоскостей число оборотов выходного звена уменьшается, а величина крутящего момента увеличивается. И наоборот, величина крутящего момента уменьшается с уменьшением шага спиральных поверхностей, а число оборотов выходного звена увеличивается.

С целью возвращения поршня 2, штока 4 и муфты 10 в исходное положение для повторного совершения действия, продольно перемещается поршень 3. При его передвижении так же, как и при передвижении поршня 2, происходит преобразование продольной силы во вращение выходного звена 9, которое при этом не изменяет направление своего вращения, т.к. здесь в кинематическом звене содержится муфта свободного хода, передающая крутящий момент только в одну сторону.

Предлагаемая конструкция спирально-штокового двигателя позволяет значительно повысить коэффициент полезного действия и надежность тепловых двигателей, в которых продольное передвижение поршня преобразуется во вращательное движение выходного звена. Повышение коэффициента полезного действия означает получение большего количества механической работы при использовании меньшего количества топлива, что в свою очередь весьма благоприятно влияет на экологическое состояние окружающей природы за счет уменьшения выброса количества отработанных газов и снизить степень их токсичности.

Использование изобретения на тепловых электростанциях позволит повторно использовать отработанный в турбинах водяной пар для вращения генератора электрического тока и производить его дополнительно к выработанному на турбинах.

Весьма эффективным будет применение данного технического решения в конструкциях двигателей внешнего сгорания, где после рабочего хода необходимо поршню сделать остановку для охлаждения рабочего тела.

Двигатель предназначен для использования в двигателестроении. Двигатель содержит корпус, поршни, штоки и выходное звено, представляющее собой зубчатое колесо. Штоки установлены друг против друга с возможностью поворота вокруг своей оси при продольном передвижении, на наружных поверхностях штоков выполнены образующие многогранник спиральные поверхности, одни из которых контактируют с корпусом, а другие - с выходным звеном, между последним и спиральными поверхностями расположены муфты свободного хода для односторонней передачи крутящего момента. Кинематическое звено, контактирующее со спиральными поверхностями, выполнено в виде валов. 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 образующие многогранник спиральные поверхности, одни из которых через кинематическое звено контактируют с корпусом, а другие таким же образом - с выходным звеном, между последним и спиральными плоскостями расположены муфты свободного хода для односторонней передачи крутящего момента. 2. Спирально-штоковый двигатель по п. 1, отличающийся тем, что кинематическое звено, контактирующее со спиральными поверхностями, выполнено в виде валов.