СИСТЕМА КОМБИНИРОВАННОГО ПНЕВМОДВИГАТЕЛЯ С ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ ПОДАЧЕЙ ВОЗДУХА И ВНЕШНИМ ИСТОЧНИКОМ ТЕПЛА Российский патент 2023 года по МПК F02G1/02 F01B23/08 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к пневмодвигателям, работающим от сжатого воздуха, которые могут быть использованы в качестве замены электродвигателей для привода различных машин и механизмов, а также в качестве замены двигателей внутреннего сгорания для привода транспортных средств, пароходов, и пр.

Из уровня техники известны различные конструкции пневматических двигателей, включающие статор с эксцентрично установленным в нем ротором, в радиальных пазах которого расположены лопасти с возможностью их передвижения в плоскостях, проходящих через ось ротора, контактирующие своими концами с внутренней цилиндрической поверхностью статора, см., например, SU 1698459 А1, 15.12.1991 или SU 1165804 А, 07.07.1985, или SU 1188336 А, 30.10.1985, или DE 29811693 U1, 08.10.1998.

Однако, эти пневмодвигатели малоэффективны, поскольку требуют источника сжатого воздуха с большим давлением, что приводит к повышенному его расходу, а также чтобы получить больший крутящий момент на выходе, требуются большие габаритные размеры двигателя, поскольку в передаче крутящего момента фактически участвует только одна лопасть, и, следовательно, чем больше рабочая площадь лопасти, тем больший крутящий момент передает двигатель. Кроме того, очень сложна технология изготовления этих двигателей, поскольку требуется высокая точность изготовления ротора с пазами, в которых с минимальными допусками должны двигаться лопасти. КПД этих двигателей также снижается из-за большого трения стенок лопаток в пазах ротора, а также из-за трения их концевых кромок о внутреннюю поверхность статора.

В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) для заявленной системы комбинированного пневматического двигателя можно принять пневматический двигатель по патенту RU 2520768 С2, 27.06.2014, включающий статор с внутренней цилиндрической поверхностью, с фланцами, расположенными по его торцам с, по меньшей мере, одним впускным отверстием, сообщенным с источником сжатого воздуха и с, по меньшей мере, одним выпускным отверстием, эксцентрично установленный внутри статора ротор, выполненный в виде цилиндра с, по меньшей мере, двумя осевыми отверстиями, ориентированными вдоль его оси и проходящими по периферии упомянутого цилиндра, при этом каждое из этих осевых отверстий сообщается с наружной цилиндрической поверхностью ротора посредством продольного паза или, по меньшей мере, одного стыковочного отверстия, предназначенных для последовательной стыковки с упомянутыми впускным и выпускным отверстиями статора, причем упомянутые осевые отверстия выполнены глухими с двух сторон.

Данное устройство также имеет существенные недостатки в виде необходимости использования источника сжатого воздуха с большим давлением, а также чтобы получить больший крутящий момент на выходе, требуются также большие габаритные размеры двигателя. Кроме того, система имеет низкий КПД.

Целью заявленного изобретения является устранение недостатков известных систем пневмодвигателей.

В основу предложенного изобретения поставлена задача модернизации конструкции системы работы пневмодвигателя, устраняющую известные недостатки аналогов.

Техническим результатом является повышение эффективности работы пневмодвигателя, повышение его КПД и крутящего момента.

Данный результат достигается тем, что система комбинированного пневмодвигателя с принудительной подачей воздуха и внешним источником тепла включает комбинированный с компрессором пневмодвигатель, включающий цилиндро-поршневую группу (ЦПГ), а также головку блока цилиндра (ГБЦ) с системой впускного и выпускного коллектора с клапанным механизмом, а также поршневой блок воздушного компрессора, приводимый в движение узлами пневмодвигателя,

турбокомпрессор, включающий вход и выход, при этом выход турбокомпрессора по трубопроводу связан с узлом впуска воздушного компрессора, для обеспечения нагнетания воздуха в указанный узел впуска,

узел выпуска воздушного компрессора связан по трубопроводу с ресивером, для нагнетания в него воздуха,

на выходном патрубке ресивера установлен регулировочный кран, обеспечивающий выравнивание выходного давления воздуха,

регулировочный кран по трубопроводу связан с камерой сгорания внешнего источника тепла, включающего радиаторный узел нагрева, внешний источник тепла, узел подачи отработанного воздуха,

выходной патрубок камеры сгорания связан трубопроводом с впускным коллектором пневмодвигателя для передачи разогретого до рабочей температуры воздуха, а выпускной коллектор по трубопроводу связан с узлом подачи отработанного воздуха камеры сгорания.

Ресивер имеет клапанные механизмы удержания нагнетенного воздуха и стравливания излишнего воздуха, а также контрольно-измерительные приборы для мониторинга давления внутри него.

Радиаторный узел нагрева выполнен в виде расположенного змейкой трубчатого замкнутого контура, пронизанного радиаторными пластинами.

На пути трубопровода между выпускным коллектором и узлом подачи отработанного воздуха камеры сгорания, установлен шиберный кран, разделяющий потоки на два направления, в узел подачи отработанного воздуха камеры сгорания и в камеру сгорания, над внешним источником тепла, причем шиберный кран выполнен с возможностью регулирования степени подачи воздуха по направлениям.

Далее, принцип работы устройства будет описан с учетом прилагаемой схемы по фиг. 1, где изображена предпочтительная система комбинированного пневмодвигателя с принудительной подачей воздуха и внешним источником тепла.

Система комбинированного пневмодвигателя с принудительной подачей воздуха и внешним источником тепла включает комбинированный с компрессором пневмодвигатель 1, включающий цилиндро-поршневую группу (ЦПГ), а также головку блока цилиндра (ГБЦ) с системой впускного 2 и выпускного 3 коллектора с клапанным механизмом. Комбинированный пневмодвигатель дополнительно включает поршневой блок воздушного компрессора, приводимый в движение узлами пневмодвигателя, например, посредством элементов толкания поршней компрессора, размещенных на распределительном валу пневмодвигателя или иной схеме, обеспечивающей привидение в движение поршней воздушного компрессора.

Система комбинированного пневмодвигателя включает турбокомпрессор 13. Турбокомпрессор 13 включает вход и выход (на чертеже не обозначены). Турбокомпрессор 13 служит для забора воздуха и направления его в соответствующий узел устройства. Выход турбокомпрессора 13 по трубопроводу связан с узлом впуска 4 воздушного компрессора, для обеспечения нагнетания воздуха в указанный узел впуска 4. Узел выпуска 5 воздушного компрессора связан по трубопроводу с ресивером 6, для нагнетания в него воздуха и осуществления работы устройства.

Из узла выпуска 5 воздушного компрессора осуществляется нагнетание воздуха непосредственно в ресивер 6 по соответствующему трубопроводу.

Ресивер 6 является герметичной емкостью, которая предназначена для хранения в ней сжатого воздуха, а также стабилизации давления в пневмосистеме устройства. Ресивер 6 имеет клапанные механизмы удержания нагнетенного воздуха, а также стравливания излишнего воздуха, узел слива возможного конденсата, а также контрольно-измерительные приборы для мониторинга давления внутри него. На выходном патрубке ресивера 6 установлен регулировочный кран 7, обеспечивающий выравнивание и регулировку выходного давления воздуха.

В качестве регулировочного крана 7 на выходном патрубке ресивера 6 используется, например, электромагнитный распределительный клапан или редуктор давления или иной механизм, обеспечивающий подачу заданного давления на выходе.

Регулировочный кран 7 по трубопроводу связан с камерой сгорания 8. В качестве камеры сгорания 8 могут применяться различные устройства, например, устройства на базе газового или твердотопливного котлов, дизельный, пеллетный котлы и прочие устройства с камерами сгорания какого-либо топлива. Любой из вариантов должен включать теплообменник в виде радиаторного узла нагрева 9, внешний источник тепла 10 и узел подачи отработанного воздуха 11.

Радиаторный узел нагрева 9 может иметь различную конструкцию, например, трубчатую или пластинчатую или иную другую для выполнения своего назначения - передачи тепла. Радиаторный узел нагрева 9 подогревается внешним источником тепла 10 либо несколькими источниками тепла, например, дровами, углем, газом, мазутом, электричеством или иным/иными источником, подбираемым в зависимости от доступности источника тепла, его цены, места размещения/использования системы и прочих факторов.

Радиаторный узел нагрева 9 предпочтительно выполнен в виде расположенного змейкой трубчатого замкнутого контура, пронизанного радиаторными пластинами, что обеспечивает нагрев воздуха и его непосредственную передачу через камеру сгорания дальше к узлам устройства. Внешний источник тепла 10, в зависимости от конструкции выполнен в виде газовой/дизельной горелки, камеры сгорания твердого топлива и пр.

Узел подачи отработанного воздуха 11 выполнен в виде сопла или ряда сопел, через колотые поступает разогретый воздух из выпускного коллектора 3, который все еще имеет высокую температуру. Разогретый воздух усиливает процесс горения при использовании внешнего источника тепла 10 с открытым пламенем и/или обеспечивает обдув и подогрев радиаторного узла нагрева 9 все еще горячим воздухом, выходящим из выпускного коллектора 3.

На пути трубопровода между выпускным коллектором 3 и узлом подачи отработанного воздуха 11 камеры сгорания 8 может быть установлен шиберный кран 14, разделяющий потоки на два направления, в узел подачи отработанного воздуха 11 камеры сгорания 8 и в камеру сгорания 8, где непосредственно происходит горение топлива, причем шиберный кран 14 выполнен с возможностью регулирования степени подачи воздуха. Наличие шиберного крана 14 необходимо, в первую очередь, для осуществления дожигания топлива в твердотопливных котлах, работающих на дровах, угле, пеллетах, соломе и пр., что обеспечивает лучшее сгорание топлива и повышает эффективность работы устройства и его КПД.

При этом, как вариант, выходящие отработанные газы из камеры сгорания 8 по трубопроводу поступают на вход турбокомпрессора 13 и передают на него энергию, необходимую для раскручивания его крыльчатки, установленную на входе турбокомпрессора 13 и для осуществления (ускорения/упрощения), по меньшей мере, частично его работы для увеличения объема воздуха, подаваемого из выхода турбокомпрессора 13.

Выходной патрубок 12 камеры сгорания 8 связан трубопроводом с впускным коллектором 2, для передачи разогретого до рабочей температуры воздуха, а выпускной коллектор 3 по трубопроводу связан с узлом подачи отработанного воздуха 11 камеры сгорания 8. Поступающий во впускной коллектор 2 разогретый до рабочей температуры воздух приводит к работе ЦПГ и осуществления передачи вращения выходному валу, например на коробку передач/редуктор или по иной схеме передачи вращения. Выходящий из выпускного коллектора воздух обеспечивает лучшее горение топлива в камере сгорания 8, прямой нагрев нагретым воздухом, для подогрева радиаторного узла нагрева 9, для повышения КПД системы и уменьшения ее энергозатрат.

Таким образом, созданная модернизированная конструкция системы комбинированного пневмодвигателя с принудительной подачей воздуха и внешним источником тепла, обеспечивает повышение эффективности работы пневмодвигателя, повышение его КПД и крутящего момента.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к пневмодвигателям, работающим от сжатого воздуха, которые могут быть использованы в качестве замены электродвигателей для привода различных машин и механизмов, а также в качестве замены двигателей внутреннего сгорания для привода транспортных средств, пароходов и пр. Техническим результатом является повышение эффективности работы пневмодвигателя, повышение его КПД и крутящего момента. Данный результат достигается тем, что система комбинированного пневмодвигателя с принудительной подачей воздуха и внешним источником тепла включает комбинированный с компрессором пневмодвигатель, включающий цилиндро-поршневую группу (ЦПГ), а также головку блока цилиндра (ГБЦ) с системой впускного и выпускного коллектора с клапанным механизмом, а также поршневой блок воздушного компрессора, приводимый в движение узлами пневмодвигателя. Турбокомпрессор, включающий вход и выход, при этом выход турбокомпрессора по трубопроводу связан с узлом впуска воздушного компрессора, для обеспечения нагнетания воздуха в указанный узел впуска. Узел выпуска воздушного компрессора связан по трубопроводу с ресивером, для нагнетания в него воздуха. На выходном патрубке ресивера установлен регулировочный кран, обеспечивающий выравнивание выходного давления воздуха. Регулировочный кран по трубопроводу связан с камерой сгорания внешнего источника тепла, включающего радиаторный узел нагрева, внешний источник тепла, узел подачи отработанного воздуха. Выходной патрубок камеры сгорания связан трубопроводом с впускным коллектором пневмодвигателя для передачи разогретого до рабочей температуры воздуха, а выпускной коллектор по трубопроводу связан с узлом подачи отработанного воздуха камеры сгорания. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система комбинированного пневмодвигателя с принудительной подачей воздуха и внешним источником тепла, характеризующаяся тем, что включает комбинированный с компрессором пневмодвигатель, включающий цилиндро-поршневую группу (ЦПГ), а также головку блока цилиндра (ГБЦ) с системой впускного и выпускного коллектора с клапанным механизмом, а также поршневой блок воздушного компрессора, приводимый в движение узлами пневмодвигателя, турбокомпрессор, включающий вход и выход, при этом выход турбокомпрессора по трубопроводу связан с узлом впуска воздушного компрессора, для обеспечения нагнетания воздуха в указанный узел впуска,

узел выпуска воздушного компрессора связан по трубопроводу с ресивером, для нагнетания в него воздуха,

на выходном патрубке ресивера установлен регулировочный кран, обеспечивающий выравнивание выходного давления воздуха, регулировочный кран по трубопроводу связан с камерой сгорания внешнего источника тепла, включающего радиаторный узел нагрева, внешний источник тепла, узел подачи отработанного воздуха, выходной патрубок камеры сгорания связан трубопроводом с впускным коллектором пневмодвигателя для передачи разогретого до рабочей температуры воздуха, а выпускной коллектор по трубопроводу связан с узлом подачи отработанного воздуха камеры сгорания.

2. Система комбинированного пневмодвигателя с принудительной подачей воздуха и внешним источником тепла по п. 1, характеризующаяся тем, что ресивер имеет клапанные механизмы удержания нагнетенного воздуха и стравливания излишнего воздуха, а также контрольно-измерительные приборы для мониторинга давления внутри него.

3. Система комбинированного пневмодвигателя с принудительной подачей воздуха и внешним источником тепла по п. 1, характеризующаяся тем, что радиаторный узел нагрева выполнен в виде расположенного змейкой трубчатого замкнутого контура, пронизанного радиаторными пластинами.

4. Система комбинированного пневмодвигателя с принудительной подачей воздуха и внешним источником тепла по п. 1, характеризующаяся тем, что на пути трубопровода между выпускным коллектором и узлом подачи отработанного воздуха камеры сгорания установлен шиберный кран, разделяющий потоки на два направления, в узел подачи отработанного воздуха камеры сгорания и в камеру сгорания, над внешним источником тепла, причем шиберный кран выполнен с возможностью регулирования степени подачи воздуха по направлениям.