СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2007 года по МПК F02B71/04 F02B59/00 

Изобретение относится к двигателестроению, преимущественно к конструкциям двигателей, предназначенных для непосредственного привода тихоходных поршневых насосов, например "качалок" в нефтедобывающей промышленности, и позволяет использовать низкопотенциальные газовые среды в качестве источников энергии, например сброс давления после паровых или газовых турбин, отработанные выхлопные газы стационарных двигателей внутреннего сгорания и т.п. Описываемый свободнопоршневой двигатель позволяет также снимать полезную мощность с вращающегося вала.

Известны свободнопоршневые двигатели, которые преимущественно преобразуют химическую энергию топлива в механическую энергию по принципу работы двигателей внутреннего сгорания, например /см. патент №2066383, F02В 71/04/, где передача мощности от поршней осуществлена рабочей жидкостью или магнитным полем /см. патент №2046966, F02В 71/04/.

Известные двигатели работают по принципу двигателей внутреннего сгорания и не обеспечивают возможности использования энергии низкопотенциальной газовой среды. Для передачи мощности от поршней используется промежуточная среда (жидкость, магнитное поле), что ведет к снижению коэффициента полезного действия и усложнению конструкции, причем в случае использования известных двигателей для привода поршневых насосов вновь необходим механизм преобразования в возвратно-поступательное движение поршня насоса, что усложняет конструкцию и снижает общий коэффициент полезного действия.

Целью изобретения является упрощение конструкции двигателя, особенно для привода поршневых тихоходных насосов, а также обеспечение возможности работы двигателя на энергии низкопотенциальной газовой среды.

Свободнопоршневой двигатель содержит основание, на котором установлен цилиндр с расположенным внутри него свободным массивным поршнем. Цилиндр закреплен на основании посредством жестко прикрепленной к нему оси качания с возможностью качания в вертикальной плоскости относительно центра продольной оси цилиндра. На обоих концах цилиндра закреплены головки с впускными и выпускными клапанами, к впускным клапанам которых посредством гибких магистралей подведена рабочая среда. В случае использования описываемого двигателя для привода тихоходных поршневых насосов цилиндр двигателя посредством шарнира непосредственно соединен со штангой механизма привода этого насоса. В случае снятия мощности с вращающегося приводного вала ось качания цилиндра соединена с этим валом посредством обгонных муфт правого и левого вращения, причем одна из них непосредственно передает вращение на приводной вал, а вторая для изменения направления вращения - через зубчатые передачи. Механизм привода клапанов закрывает выпускной клапан той головки, к которой в данный момент подходит поршень, обеспечивая условие безударной о головку остановки поршня, то есть кинетическая энергия движущегося поршня расходуется на сжатие оставшейся в цилиндре газовой среды, давление которой в момент остановки поршня может превысить давление во впускной магистрали. Под действием сжатой газовой среды поршень меняет направление своего движения на противоположное, и, как только давления между поршнем и головкой и во впускной магистрали выравняются, механизм привода клапанов откроет впускной клапан данной головки и выпускной клапан противоположной головки.

На чертеже представлена схема описываемого свободнопоршневого двигателя.

Свободнопоршневой двигатель содержит основание 1, на котором на оси качания 2 жестко закреплен цилиндр 3 с расположенным внутри него массивным поршнем 4. С обеих сторон цилиндр 3 закрыт головками 5, в которых установлены впускные 6 и выпускные 7 клапаны. К головкам 5 со стороны впускных клапанов 6 подсоединены гибкие впускные магистрали 8. К цилиндру 3 посредством шарнира 9 прикреплена штанга привода 10 поршневого насоса, а ось качания 2 посредством обгонных муфт 11 правого и левого вращения соединена с приводным валом (на схеме не показан), причем одна из муфт 11 непосредственно соединена с этим валом, а вторая для изменения направления вращения соединена с ним через зубчатые передачи (на схеме но показаны).

Работает описываемый двигатель следующим образом. При подаче газообразной рабочей среды по гибким магистралям 8 под избыточным над атмосферным давлением поршень 4, преодолевая силу тяжести, начнет перемещаться к противоположной головке, выпускной клапан которой открыт, и по прохождении центром его тяжести оси качания 2 возникнет вращающий момент, который будет возрастать по мере приближения поршня к противоположной головке. Под действием этого момента цилиндр начнет поворачиваться вокруг оси качания 2. При достижении продольной осью цилиндра х-х положения, близкого к горизонтальному, механизм привода клапанов закроет впускной клапан 6 работавшей головки и поршень 4 продолжит свое движение к противоположной головке за счет расширения газов со стороны работавшей головки, а также за счет запаса кинетической энергии движущегося массивного поршня. По прохождении осью цилиндра х-х горизонтального положения к этим силам добавится и сила тяжести поршня 4. При приближении поршня 4 к неработавшей головке механизм привода клапанов закроет выпускной клапан 7 этой головки и вся энергия движущегося поршня преобразуется в энергию сжатого газа между поршнем и неработавшей головкой. В результате этого поршень остановится безударно об эту головку и изменит направление своего движения на противоположное. Как только давление между поршнем и неработавшей головкой и давление рабочей среды во впускной магистрали сравняются, механизм привода клапанов откроет впускной клапан на неработавшей головке и выпускной клапан на работавшей головке и поршень начнет перемещаться в обратном направлении, совершая также рабочий ход, причем работающей уже будет головка с открытым впускным клапаном, то есть от которой поршень начал движение. Мощность с описываемого двигателя снимается в случае его работы на привод поршневого насоса посредством штанги 10 привода насоса, соединенной с цилиндром 3 посредством шарнира 9. В случае снятия мощности с приводного вала крутящий момент на него передается с цилиндра 3 и жестко соединенную с ним ось качания 2 посредством обгонных муфт 11 правого и левого вращения, причем одна из этих муфт непосредственно соединена с этим валом, а вторая для изменения направления вращения соединена с ним посредством зубчатой передачи. При качании цилиндра 3 в одну сторону муфта 11, непосредственно связанная с приводным валом, передает крутящий момент с оси качания 2 сразу на этот вал, муфта же обратного направления свободно проскальзывает. При качании цилиндра в обратную сторону муфта, непосредственно связанная с приводным валом, проскальзывает, а муфта обратного направления вращения передает крутящий момент с оси качания 2 цилиндра 3 через зубчатую передачу, изменяющую направление вращения на обратное, на этот же приводной вал. Для снижения неравномерности вращения приводного вала на нем установлен маховик, а описываемый свободнопоршневой двигатель выполнен многоцилиндровым с общим приводным валом.

Описываемый свободнопоршневой двигатель при собственной простоте конструкции в случае использования его на привод поршневого насоса позволяет значительно упростить передаточный механизм от поршня двигателя к поршню насоса с более высоким коэффициентом полезного действия даже по сравнению с непосредственным соединением поршней насоса и двигателя общим штоком, а также позволяет использовать для получения механической энергии энергию как высокопотенциальных, так и низкопотенциальных газовых сред, например энергию выхлопных газов стационарных двигателей внутреннего сгорания, сброс давления после паровых и газовых турбин и тому подобное с высоким коэффициентом полезного действия как по давлению, так и по температуре газовой среды, поскольку при прохождении поршня около оси качания цилиндра подача рабочей среды через впускной клапан прекращается и происходит примерно двойное расширение газа с использованием этой энергии на полезную работу.

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к свободнопоршневым двигателям, и может быть использовано в качестве двигателя для привода тихоходных поршневых насосов без промежуточных преобразований движения, а также для привода любых потребителей от вращающегося приводного вала с использованием в качестве источника энергии энергии как высоко-, так и низкопотенциальных газовых сред. В свободнопоршневом двигателе, содержащем основание, на котором установлен цилиндр, внутри которого размещен поршень, впускные и выпускные клапаны с механизмами их привода, согласно изобретению цилиндр закреплен на основании с возможностью качания в вертикальной плоскости относительно центра его продольной оси, на обоих концах цилиндра расположены головки с впускными и выпускными клапанами, к которым посредством гибких магистралей подведена рабочая среда. Изобретение позволяет упростить передачу мощности потребителям без использования промежуточных сред и механизмов соответственно с большей надежностью и более высоким КПД, а также использовать в качестве источника энергии энергию низкопотенциальных газовых сред. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Свободнопоршневой двигатель, содержащий основание, на котором установлен цилиндр, внутри которого размещен поршень, впускные и выпускные клапаны с механизмами их привода, отличающийся тем, что цилиндр закреплен на основании с возможностью качания в вертикальной плоскости относительно центра его продольной оси, на обоих концах цилиндра расположены головки с впускными и выпускными клапанами, к которым посредством гибких магистралей подведена рабочая среда.2. Свободнопоршневой двигатель по п.1, отличающийся тем, что цилиндр двигателя посредством шарнира непосредственно соединен со штангой привода поршневого насоса.3. Свободнопоршневой двигатель по п.1, отличающийся тем, что цилиндр жестко соединен с осью качания, которая в свою очередь соединена с приводным валом посредством обгонных муфт правого и левого вращения, причем одна из муфт непосредственно передает крутящий момент на этот вал, а вторая - через зубчатые передачи.4. Свободнопоршневой двигатель по п.1, отличающийся тем, что механизм привода клапанов закрывает выпускной клапан той головки, к которой подходит поршень, обеспечивая условие безударной о головку остановке поршня, впускной же клапан этой головки открывает при равенстве давлений рабочей среды между поршнем и этой головкой и во впускной магистрали и закрывает при приближении к горизонтальному положению продольной оси цилиндра, причем одновременно с открытием впускного клапана на одной головке открывает выпускной клапан на противоположной головке.