ТЕПЛОВОЗ С РОТОРНО-ЛОПАСТНЫМ ДИЗЕЛЬНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ Российский патент 2004 года по МПК B61C5/00 F02B53/00 F01C1/344 

Настоящее изобретение относится к области железнодорожного транспорта и может найти применение в качестве тепловоза.

Известен маневровый тепловоз ТГМ-6А, содержащий раму с ходовыми тележками и подвесками, кузов, имеющий водительское и моторное отделения, дизельный двигатель, размещенный внутри моторного отделения, гидропередачу, которая соединена с дизельным двигателем, а посредством карданных валов и осевых редукторов связана с колесными парами, трехцилиндровый компрессор, который посредством гидромуфты связан с гидропередачей, холодильник, вентилятор которого через редуктор соединен с дизельным двигателем, системы: тормозную электрическую, охлаждения, смазки и запуска, песочную, механизмы управления (Г.Я. Белобаев, В.И. Бурьяница, М.К. Гавриленко и др. Маневровые тепловозы, под ред. Л.С. Назарова, М., Транспорт, 1977, с.5-30, рис..7, табл.2, 4).

Недостатками маневрового тепловоза ТГМ-6А являются большой расход топлива, значительная вибрация при работе дизельного двигателя, большие размеры дизельного двигателя, недостаточная мощность.

Указанные недостатки обусловлены тепловыми потерями и потерями на трение в кривошипно-шатунном и газораспределительном механизмах, большим весом и инерцией подвижных частей дизельного двигателя, совершающих прямолинейное движение.

Известен также двухсекционный тепловоз ТЭ-3, каждая секция которого содержит раму с ходовыми тележками и подвесками, кузов, установленный на раме и имеющий водительское и моторное отделения, десятицилиндровый бескомпрессорный дизельный двигатель 2Д-100 с вертикальными встречно движущимися поршнями, установленный в моторном отделении и имеющий муфту сцепления, тяговый генератор, связанный с дизельным двигателем, тяговые электродвигатели, механически соединенные с колесными парами, а электрически через контролер подключенные к выходу тягового генератора, двухмашинный агрегат, содержащий возбудитель тягового генератора и генератор для зарядки аккумуляторов, механически соединенный с дизельным двигателем, трехцилиндровый двухступенчатый компрессор, механически соединенный с дизельным двигателем, системы питания, охлаждения, смазки, электрическая, пневматическая и запуска, механизмы управления (В.А. Раков. Локомотивы отечественных железных дорог 1845-1955 г.г., изд. 2. М., Транспорт, с.382-384).

Однако секция известного тепловоза ТЭ-3, как наиболее близкая по технической сущности и достигаемому полезному результату, принята за прототип.

Недостатки одной секции известного тепловоза ТЭ-3, принятой за прототип, те же.

Указанные недостатки обусловлены недостатками поршневого дизельного двигателя.

Целью настоящего изобретения является повышение эксплуатационных качеств тепловоза.

Указанная цель, согласно изобретению, обеспечивается тем, что дизельный двигатель 2Д-100 заменен роторно-лопастным дизельным двигателем, выполненным из шести одинаковых блоков, каждый из которых содержит круглый корпус с рубашкой охлаждения, внутрь которого вставлен цилиндр, внутренняя поверхность которого имеет форму правильного круга, внутрь которого вставлен ротор, отлитый заодно с валом и представляющий собой цилиндрическое тело вращения, имеющий четыре радиальных паза, выполненных под углом 90 градусов один относительно другого, в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, каждая пара которых расположена соосно друг другу на линии диаметра по разные стороны от оси вращения, причем внутрь каждого паза вставлена пустотелая прямоугольная лопасть, имеющая внутри пружину, кроме того, между каждой парой пазов в теле ротора выполнена Г-образная накопительная камера, оба входных канала которой открываются в сторону от оси вращения ротора, продольная ось которого параллельна продольной оси цилиндра и смещена вниз относительно продольной оси цилиндра так, что ротор своей боковой поверхностью контактирует с внутренней нижней поверхностью цилиндра, образуя снизу вверх направо камеру сгорания, в которую вставлена форсунка, гидравлически соединенная с выпускным патрубком одноплунжерного насоса высокого давления, камеру выпуска отработанных газов, имеющую выпускной канал, камеру впуска воздуха, имеющую впускной канал, соединенный с выпускным каналом воздухонагревателя, впускной канал которого соединен с воздушным фильтром, камеру сжатия воздуха, причем все камеры отделены друг от друга пустотелыми прямоугольными лопастями, кроме того, валы всех воздухонагнетателей соединены между собой соединительными муфтами, и передний конец вала первого воздухонагнетателя соединен с ведомым валом повышающего редуктора, ведущий вал которого кинематически соединен с валом первого блока, причем валы всех насосов высокого давления соединены между собой муфтами и передний конец первого из них соединен с ведомым валом редуктора, ведущий вал которого кинематически связан с валом первого блока, а впускной и выпускной патрубки низкого давления каждого из насосов высокого давления через топливный насос соединены с топливным баком, причем валы генератора электрического тока, топливного, масляного и водяного насосов кинематически соединены с валом первого блока, кроме того, валы роторов каждого из блоков соединены между собой муфтами и на переднем конце первого вала закреплена шестерня привода вспомогательных механизмов, а на конце вала последнего блока установлен маховик, зубчатый венец которого при запуске взаимодействует с шестерней стартера.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фигуре 1 изображен общий вид тепловоза с роторно-лопастным дизельным двигателем, на фигуре 2 – вид на тепловоз с роторно-лопастным двигателем в разрезе, на фигуре 3 – блок-схема силовой передачи тепловоза с роторно-лопастным дизельным двигателем, на фигуре 4 – общий вид роторно-лопастного дизельного двигателя, на фигуре 5 – вид спереди на роторно-лопастной дизельный двигатель, на фигуре 6 – вид сзади на роторно-лопастной дизельный двигатель, на фигуре 7 – схема привода вспомогательных механизмов, на фигуре 8 – схема составного вала роторно-лопастного дизельного шестиблочного двигателя, на фигуре 9 – общий вид вала одного блока, на фигуре 10 – общий вид соединительной муфты вала с частичным разрезом, на фигуре 11 – вид слева на соединительную муфту вала с частичным разрезом, на фигуре 12 – схема роторно-лопастного дизельного двигателя, на фигуре 13 – схема привода воздухонагнетателей, на фигуре 14 – схема привода насосов высокого давления, на фигуре 15 – схема повышающего редуктора привода воздухонагнетателей, на фигурах 16, 17 – схема принципа действия роторно-лопастного дизельного двигателя, на фигуре 18 – диаграмма работы одного блока роторно-лопастного дизельного двигателя.

Тепловоз с роторно-лопастным дизельным двигателем содержит раму 1 с ходовыми тележками 2, 3 и подвесками. На раме установлен кузов 4, имеющий водительские 5, 6 и моторное 7 отделения. В водительских отделениях установлены контролеры 8, 9. В моторном отделении размещены роторно-лопастной дизельный двигатель 10, который с одной стороны через соединительную муфту 11 механически соединен с тяговым генератором 12 и возбудителем 13, выход которого электрически связан с обмотками, возбуждения тягового генератора, а с другой стороны механически связан с компрессором 14 пневматической тормозной системы. Внутри моторного отделения также размещены вентиляторы 15, 16 принудительного охлаждения тяговых электродвигателей 17, 18, 19, 20, размещенных на ходовых тележках, и холодильник 21 для охлаждения воды и масла в роторно-лопастном дизельном двигателе, приводимый в движение электродвигателем 22, подключенным к генератору электрического тока. Снаружи на кузове размещены баллоны сжатого воздуха 23 пневматической тормозной системы, тормозные реостаты 24 и выпускная труба 25. В нижней части под рамой установлен топливный бак 26. Внутри моторного отделения также размещены шкафы с электрооборудованием 27, 28, аккумуляторные батареи 29, питающие потребителей 30 при неработающем роторно-лопастном дизельном двигателе.

Роторно-лопастной дизельный двигатель содержит шесть одинаковых по конструкции блоков 31, 32, 33, 34, 35, 36, соединенных между собой болтами. В передней части к ним прикреплен блок привода вспомогательных механизмов 37. Каждый блок содержит корпус 38 с рубашкой охлаждения 39. Внутрь корпуса запрессован цилиндр 40, внутренняя поверхность которого выполнена в форме правильного круга. Корпус закрыт передней и задней крышками. Внутрь цилиндра вставлен ротор 41, выполненный заодно с валом 42, концы которого пропущены в отверстия крышек. Вал имеет шпоночный паз 43 для соединения друг с другом и шпоночные пазы 44, 45 для соединения с каким-либо механизмом и для крепления ведущей шестерни привода вспомогательных механизмов или маховика. Ротор, представляющий собой цилиндрическое тело вращения, имеет четыре радиальных паза 46, 47, 48, 49, расположенных под углом 90 градусов один относительно другого в двух взаимного пересекающихся плоскостях, каждая пара которых расположена соосно друг другу на линии диаметра по разные стороны от оси вращения. Внутрь пазов вставлены пустотелые прямоугольные лопасти 50, 51, 52, 53, имеющие внутри пружины 54. В теле ротора выполнены четыре Г-образные накопительные камеры 55, 56, 57, 58, оба канала каждой из которых открываются в сторону от оси вращения ротора. Каждая Г-образная накопительная камера расположена между двух пустотелых прямоугольных лопастей. Продольная ось ротора параллельна продольной оси цилиндра и смещена вниз так, что ротор своей боковой поверхностью контактирует с внутренней нижней поверхностью цилиндра, образуя снизу вверх направо камеру сгорания 59, в которую вставлена форсунка 60, которая посредством трубопровода соединена с выпускным штуцером одноплунжерного насоса высокого давления 61, камеру выпуска отработанных газов 62, имеющую выпускной канал 63, камеру впуска воздуха 64, имеющую впускной канал 65, который соединен с выпускным каналом воздухонагнетателя 66, впускной канал которого соединен с воздушным фильтром 67, камеру сжатия 68. Все упомянутые камеры отделены друг от друга пустотелыми прямоугольными лопастями. Все валы блоков соединены между собой посредством соединительных муфт 69. Все соединительные муфты одинаковы по конструкции, каждая из них содержит первую полумуфту в форме втулки 70 с внутренним шпоночным пазом 71, выполненной заодно с диском 72, имеющим сферические боковые поверхности, и вторую полумуфту в форме втулки 73 с внутренним шпоночным пазом 74, выполненной заодно со скобой 75, имеющей на внутренней поверхности сферическое углубление, в которое входит сферическая поверхность диска первой полумуфты. К скобе болтами привернута крышка 76, также имеющая она внутренней поверхности сферическое углубление, в которое входит своей второй сферической поверхностью диск первой полумуфты. Каждая соединительная муфта допускает отклонение соединяемых валов в вертикальной и горизонтальной плоскостях. (О соединительной муфте см. С.Н. Кожевников и др. Механизмы. Справочное пособие, изд.4, М., Машиностроение, 1976, с.71, рис.2.42, о насосе, положенном в основу двигателя см. И.И. Артоболевский. Механизмы в современной технике, изд.2, т.6-7, М., Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1981, с.416, №3920).

На конце вала первого блока установлена коническая шестерня 77, входящая в зацепление с коническими шестернями 78, 79, 80, 81, установленными на валах 82, 83, 84, 85, на втором конце первого из них установлена коническая шестерня 86, входящая в зацепление с конической шестерней 87, закрепленной на валу редуктора 88 насосов высокого давления. На втором конце второго вала установлена коническая шестерня 89, входящая в зацепление с конической шестерней 90 повышающего редуктора 91 воздухонагнетателей. На втором конце третьего вала установлена коническая шестерня 92, входящая в зацепление с конической шестерней 93, закрепленной на валу генератора электрического тока 94, выход которого электрически связан с аккумуляторными батареями и другими потребителями. Четвертый вал кинематически связан с валами водяного 95, масляного 96 и топливного 97 насосов. Вал шестого блока развернут на 180 градусов в горизонтальной плоскости и на его конце установлен маховик 98, зубчатый венец которого при запуске взаимодействует с шестерней, установленной на валу стартера 99. Выпускные каналы каждого блока соединены с выпускным коллектором 100, а он через глушитель 101 связан с выпускной трубой. Каждый из валов одноплунжерных насосов высокого давления 102 имеет четырехгранный кулачок 103, и они посредством муфт 104 соединены между собой и связаны с редуктором, передаточное отношение которого 1:1. Посредством трубопроводов 105, 106 и топливного насоса насосы высокого давления соединены с топливным баком. Валы управления подачей топлива 107 насосов высокого давления соединены между собой муфтами 108 и кинематически связаны с системой управления роторно-лопастного дизельного двигателя (не показано). Система питания имеет устройство опережения подачи топлива в камеры сгорания, не показанное на чертежах. Все воздухонагнетатели одинаковы по конструкции и каждый из них содержит корпус 109, две крыльчатки 110, 111, закрепленные на валах, имеющих шестерни, входящие друг с другом в зацепление (не показано). Один из валов является приводным. Приводные валы всех воздухонагнетателей соединены между собой муфтами 112, а первый из них также посредством муфты соединен с выходным валом повышающего редуктора. Повышающий редуктор содержит корпус 113, закрытый крышкой 114, внутри которого на подшипниках установлены вертикальный вал с закрепленной на нем шестерней, входящей в зацепление с малой шестерней первого промежуточного вала 115, имеющего большую шестерню 116, входящую в зацепление с малой шестерней 117 второго промежуточного вала 118, большая шестерня 119 которого входят в зацепление с малой шестерней 120 ведомого вала 121. На фигуре 18 цифрами обозначено: рабочий ход 122, выпуск отработанных газов 123, впуск воздуха 124, окончательная очистка цилиндра и Г-образной накопительной камеры от отработанных газов (одновременное открытие впускного и выпускного каналов) 125, сжатие воздуха 126, переход сжатого воздуха из камеры сжатия в Г-образную накопительную камеру 127, перенос сжатого воздуха в камеру сгорания 128, выпуск сжатого воздуха из Г-образной накопительной камеры в камеру сгорания 129, впуск горючего в камеру сгорания 130.

Работа тепловоза с роторно-лопастным дизельным двигателем.

После проверки исправности всех систем тепловоза производится запуск роторно-лопастного дизельного двигателя 10. Для этого нажатием кнопки, не показанной на чертежах, стартер 99 включается в цепь аккумуляторных батарей 29 и шестерня стартера начинает вращать маховик 98 и вместе с ним валы 42 всех шести блоков 31, 32, 33, 34, 35, 36. Как только роторно-лопастной дизельный двигатель заработает, стартер 99 отключается. После прогрева роторно-лопастного дизельного двигателя до рабочих температур тепловоз готов к движению. Включается соединительная муфта 11 и вал тягового генератора 12 приходит в движение. Переводом ручки контролера 8 или 9 в первое положение тяговые электродвигатели 17, 18, 19, 20 включаются в цепь тягового генератора 12, колеса ходовых тележек 2, 3 начинают вращаться, и тепловоз приходит в движение. При этом все блоки роторно-лопастного дизельного двигателя работают одинаково. Работа одного блока происходит по циклу четырехтактного дизельного двигателя следующим образом. Воздух из атмосферы через воздушный фильтр 67 воздухонагнетателем 66 нагнетается под давлением через впускной канал 65 во впускную камеру 64 и проходит через выпускной канал 63, очищая цилиндр 40 и Г-образную накопительную камеру 58 от отработанных газов (фиг.16). На диаграмме, представленной на фигуре 18, такт впуска воздуха происходит за время поворота вала 42 от 305 до 35 градусов. После того, как пустотелая прямоугольная лопасть 53 закроет выпускной канал 63 (фиг.17), а затем впускной канал 65 и займет положение пустотелой прямоугольной лопасти 50 (фиг.16), тогда начнется такт сжатия воздуха в камере сжатия 68, который осуществляется за время поворота вала 42 от 35 до 155 градусов. При этом от 105 до 155 градусов поворота вала 42 одновременно со сжатием воздуха происходит его перемещение в Г-образную накопительную камеру 58, в которую он полностью переместится в конце такта сжатия, а пустотелая прямоугольная лопасть 53 полностью будет утоплена в радиальном пазу 49. Так, как это сделала пустотелая прямоугольная лопасть 52 на фигуре 12. На фигуре 16 видно, что такт сжатия начинает прямоугольная лопасть 50, которая одновременно перемещает его в Г-образную накопительную камеру 55, а заканчивает такт сжатия пустотелая прямоугольная лопасть 51, которая уже переместила почти весь сжатый воздух в Г-образную накопительную камеру 56. После этого за время поворота вала 42 от 155 до 210 градусов происходит перенос сжатого воздуха в камеру сгорания 59. При дальнейшем повороте вала 42 от 210 до 220 градусов открывается один из каналов Г-образной накопительной камеры 58, и нагретый сжатый воздух из нее станет поступать в камеру сгорания 59. При дальнейшем повороте вала 42 до 235 градусов происходит впрыск топлива форсункой 60 в камеру сгорания 59. От высокой температуры топливо воспламеняется и образовавшиеся газы давят на пустотелую прямоугольную лопасть 50, которая заставляет вал 42 поворачиваться. На фигурах 12 и 16 видно, что сжимает воздух одна пустотелая прямоугольная лопасть, а рабочий ход совершает впереди стоящая пустотелая прямоугольная лопасть. Когда пустотелая прямоугольная лопасть 53 займет положение, показанное на фигуре 12, сжатый воздух из Г-образной накопительной камеры 57 поступит в камеру сгорания 59, произойдет впрыск и воспламенение топлива, и пустотелая прямоугольная лопасть 53 станет совершать рабочий ход и одновременно удалять отработанные газы от предыдущего рабочего хода. Как только она займет положение, показанное на фигуре 16, все начнется сначала. Рабочий ход совершается за время поворота вала 42 от 235 до 325 градусов. За один оборот вала 42 каждая из пустотелых прямоугольных лопастей 50, 51, 52, 53 совершает рабочий ход, выпуск отработанных газов, впуск воздуха и сжатие воздуха. Следовательно, в одном блоке за один оборот вала совершается четыре рабочих хода, четыре выпуска отработанных газов, четыре впуска воздуха и четыре сжатия воздуха, в шести блоках роторно-лопастного дизельного двигателя за один оборот будет происходить двадцать четыре рабочих хода, двадцать четыре выпуска отработанных газов, двадцать четыре впуска воздуха и двадцать четыре сжатия воздуха, что ведет к резкому увеличению мощности. В то же время за один оборот вала дизельного двигателя 2Д-100, установленного на тепловозе, который принят за прототип, совершается три рабочих хода, три выпуска отработанных газов, три впуска воздуха и три сжатия воздуха. При работе роторно-лопастного дизельного двигателя 10 маховик 98 накапливает энергию вращения и делает это вращение более плавным. Шестерня 77 через шестерни 78, 79, 80, 81, 86, 89, 92 и валы 82, 83, 84, 85 приводит в движение насосы высокого давления 61, воздухонагнетатели, частота вращения которых повышается повышающим редуктором 91, масляный 96, водяной 95 и топливный 97 насосы, генератор электрического тока 94, питающий электродвигатель холодильника 22 и подзаряжающий аккумуляторные батареи 29. При увеличении или уменьшении частоты вращения вала 42 механизм опережения подачи топлива в камеру сгорания производит впрыск раньше или позже. Все остальные системы тепловоза с роторно-лопастным дизельным двигателем работают, как на обычном тепловозе. После прибытия в депо тепловоз устанавливается на стоянку, а роторно-лопастной дизельный двигатель, частота вращения вала которого изменяется путем изменения количества подаваемого топлива в цилиндр, останавливается прекращением подачи топлива и воздуха.

Положительный эффект: уменьшение габаритов, веса и вибрации двигателя, повышение кпд двигателя, увеличение мощности тепловоза и межремонтного пробега, возможность вождения составов с более высокой скоростью удешевление стоимости тепловоза, может преодолевать более крутые подъемы.

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта. Техническим результатом является повышение эксплуатационных качеств тепловоза. Сущность изобретения заключается в том, что силовая установка тепловоза выполнена в форме роторно-лопастного дизельного двигателя, состоящего из шести одинаковых блоков. В пазах ротора установлены подпружиненные пустотелые прямоугольные лопасти. Между каждой парой пазов в теле ротора выполнена Г-образная накопительная камера, оба входных канала которой открываются в сторону от оси его вращения. Валы роторов каждого из блоков соединены между собой муфтами и на переднем конце первого вала закреплена шестерня привода вспомогательных механизмов. Валы генератора электрического тока, топливного, масляного и водяного насосов кинематически соединены с валом первого блока. 18 ил.

Тепловоз с роторно-лопастным дизельным двигателем, содержащий раму с ходовыми тележками и подвесками, кузов, установленный на раме и имеющий водительские и моторное отделения, силовая установка, размещенная в моторном отделении, тяговый генератор, связанный механически с силовой установкой, тяговые электродвигатели, установленные на ходовых тележках и электрически связанные с тяговым генератором, возбудитель, компрессор, холодильник, вентиляторы принудительного охлаждения тяговых электродвигателей, механизмы управления, отличающийся тем, что силовая установка выполнена в форме роторно-лопастного дизельного двигателя, выполненного из шести одинаковых блоков, каждый из которых содержит круглый корпус с рубашкой охлаждения, внутрь которого вставлен цилиндр, внутренняя поверхность которого имеет форму правильного круга, внутрь которого вставлен ротор, отлитый заодно с валом и представляющий собой цилиндрическое тело вращения, имеющий четыре радиальных паза, выполненных под углом 90° один относительно другого, в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, каждая пара которых расположена соосно друг другу на линии диаметра по разные стороны от оси вращения, причем внутрь каждого паза вставлена пустотелая прямоугольная лопасть, имеющая внутри пружину, кроме того, между каждой парой пазов в теле ротора выполнена Г-образная накопительная камера, оба входных канала которой открываются в сторону от оси вращения ротора, продольная ось которого параллельна продольной оси цилиндра и смещена вниз относительно продольной оси цилиндра так, что ротор своей боковой поверхностью контактирует с внутренней нижней поверхностью цилиндра, образуя снизу вверх направо камеру сгорания, в которую вставлена форсунка, гидравлически соединенная с выпускным патрубком одноплунжерного насоса высокого давления, камеру выпуска отработанных газов, имеющую выпускной канал, камеру впуска воздуха, имеющую впускной канал, соединенный с выпускным каналом воздухонагнетателя, впускной канал которого соединен с воздушным фильтром, камеру сжатия воздуха, причем все камеры отделены друг от друга пустотелыми прямоугольными лопастями, кроме того, валы всех воздухонагнетателей соединены между собой соединительными муфтами, и передний конец вала первого воздухонагнетателя соединен с ведомым валом повышающего редуктора, ведущий вал которого кинематически соединен с валом первого блока, причем валы всех насосов высокого давления соединены между собой муфтами и передний конец первого из них соединен с ведомым валом редуктора, ведущий вал которого кинематически связан с валом первого блока, а впускной и выпускной патрубки низкого давления каждого из насосов высокого давления через топливный насос соединены с топливным баком, причем валы генератора электрического тока, топливного, масляного и водяного насосов кинематически соединены с валом первого блока, кроме того, валы роторов каждого из блоков соединены между собой муфтами и на переднем конце первого вала закреплена шестерня привода вспомогательных механизмов, а на конце вала последнего блока установлен маховик, зубчатый венец которого при запуске взаимодействует с шестерней стартера.