Предлагаемое изобретение касается таких поршневых машин, в которых I движущийся возвратно - поступательно | поршень, испытывая большие механиче- I ские напряжения, подвергается в то же j время повторному одностороннему на- j греванию, т. е. двигателей, работаюш.их | вспышкою, двигателей внутреннего го- I рения, компрессоров и т. д. При сильном нагревании поршневого дниш,а и больших механических напряжениях поршня необходимы специальные средства для возможно быстрого отведения | от него тепла, так как в противном случае поршень быстро разрушается (лопается).
Охлаждение поршня производится обыкновенно по одному из следующих трех способов:
1)Путем проведения через поршень струи охлаждающей воды. Этот способ ведет к сложному и требующему тщательного ухода устройству.
2)Путем непосредственной отдачи тепла воздуху. Этот способ во многих случаях недостаточен вследствие незначительности передачи теплоты с металла на воздух; и
3) Путем отдачи тепла стенкам охлаждаемого воздухом или водою цилиндра.
Предлагаемое изобретение касается этого последнего способа охлаждения. При этом способе отдача тепла происходит только через цилиндрические части поршня, находящиеся в непосредственном соприкосновении с охлаждаемыми стенками цилиндра. Между тем, нагреванию подвергается, главным образом, поршневое днище, а потому теплоту, передаваемую этому днищу, нужно прежде всего передать цилиндрическим стенкам поршня. Такая передача производилась до сих пор исключительно через металл, при чем с целью достижения достаточно большого теплопроводящего сечения или увеличивали толщину днища и цилиндрической стенки поршня, или же снабжали его внутренними ребрами, как показано на фиг. 1 прилагаемого чертежа, где теплота от днища i передается цилиндрическим стенкам 2 поршня путем распространения в металле по путям, указанным стрелками. Такое устройство крайне просто, но совершенно не достаточно в
тех случаях, когда нужно отводить большие количества тепла, в особенности, когда диаметр поршня большой или когда машина работает одновременно при высоких давлениях и температурах, потому что при этих обстоятельствах невозможно получить достаточно боль- ; шие поперечные сечения металла. Вдо- , бавок и поршень получается очень тя- i желый. Из чертежа яcнo что та часть I поршня, которая ближе к нагреваемому | ДНИШ.У, будет отдавать стенкам цилин- : дра большие количества тепла, тогда , как удаленная от этого дниша часть ; будет участвовать в этой передаче в i весьма незначительной степени, потому что распространение тепла в металле совершается сравнительно медленно, так что удаленные части имеют значитель- но более низкую температуру, чем части, лежаш,ие непосредственно у нагревае- ; мой стенки. Такое неравномерное рас- ; пределение тепла вызывает внутренние i напряжения в материале поршня и весьма часто поломку его. Опасность поломки (раскалывание происходит, { обкновенно, у нагретого дниша) при прочих равных обстоятельствах возрастает, разумеется, с увеличением раз- меров поршня, так что конструкторам в этом отношении поставлен был до сих пор сравнительно низкий предел.
Согласно предлагаемому изобретению указанные недостатки, обусловленные недостаточно энергичным отведением тепла от поршня устраняются тем, что ; внутренняя полость (или полости) пор- шня заполняется совершенно или частью I какою-либо жидкостью, которая при движении поршня приходит или исскуственно приводится в движение и, приходя | в соприкосновение со всеми стенками ; поршня механически, так сказать, переносит тепло с горячих стенок на менее горячие стенки. Эта жидкость остается в поршне и, следовательно, не является средством для непосредственного отведеня тепла, а лишь средством для возможно равномерного распределения такового на всю поверхность поршня, вследствие чего вся цилиндрическая стенка поршня будет принимать вполне одинаковое участие в отдаче тепла охлаж- ; даемым стенкам цилиндра.i
Простой пример осушествления предлагаемого изобретения представлен на фиг. 2 чертежа, где поршень имеет одну вполне закрытую полость 3, частью заполненную жидкостью 4, которая при возвратно - поступательных движениях поршня приходит в сильное движение и в тесное соприкосновение как с повторно нагреваемым днищем i, так и с цилиндрической стенкой 2 и вторым днищем порщня. Эта жидкость поглощает теплоту стенки /, подверженную непосредственному действию горячих газов, а при дальнейшем своем движении сообщает ее цилиндрической стенке поршня, передающей ее охлаждаемым стенкам цилиндра. При этом устройстве теплота стенки / на своем пути к стенке цилиндра совершает лишь очень короткий путь по металлу, а именно путь, равный сумме толщин днища и поршевого кожуха, передача же от днища к этому кожуху происходит путем чрезвычайно быстрого механического перенесения при посредстве жидкости 4, приведенной в сильное движение.
В виду отсутствия значительной разности температур в разных местах поршня, в материале последнего нет тепловых напряжений, так что при расчете толщины стенок поршня нужно лишь считаться с условиями механической прочности. Поэтому стенки получаются значительно тоньше и могут иметь везде приблизительно одинаковую толщину. В отдаче тепла стенкам цилиндра равномерно участвует вся цилиндрическая поверхность поршня, а потому эта передача совершается гораздо скорее. Устранена опасность защемления порщня, неизбежная до сих пор при одностороннем сильном нагревании его и при отведении тепла от лобовой на боковую стенку по металлу. Все это сделало возможным устройство машин с цилиндрами большого диаметра, не прибегая к непосредственному охлаждению поршня путем пропуска через него струи воды, связанному с большими техническими трудностями.
На фиг. 3 - 21 представлены дальнейшие формы выполнения предлагаемого изобретения.
Порщень по фиг. 3 и 4 имеет несколько вполне закрытых камер, част;.-ю
заполненных жидкостью, напр., водою. Поршень, играющий одновременно роль направляющего крейцкопфа, имеет очень, больщую длину и для передачи тепла стенкам цилиндра использована лишь часть его боковой поверхности.
Подобный же поршень представлен на фиг. 16 в продольном разрезе, при чем, однако, в передаче тепла стенкам цилиндра участвует и та часть цилиндрической поверхности поршня, которая расположена впереди цапфы шатуна. На фиг. 17 и 18 изображены разрезы этого поршня по А-АН В-5, фиг. 16. Порщень имеет промежуточное днище 30, с отверстиями, снабженными клапанами 31 и 32, открывающимися в разные стороны. Стенка 4., доходящая в устройстве по фиг. 16, 17 и 18 до сводчатой перегородки 63, а в устройстве по фиг. 16, 19 и 20 почти до переднего конца 47 (ф. 16) кольцевого пространства, занятого охлаждающею водою,, разделяет это кольцевое пространство на две части, сообщающиеся между собою у.переднего конца, напр., при помощи отмеченных на фиг. 16 и 18 плоских каналов или труб 6/, 62. Благодаря этому устройству при движениях поршня, вызывающих поочередное открывание клапанов 31 и 32, создается циркуляция охлаждающей воды по пути, обозначенному на фиг. 16 стрелками, при чем вода приходит в тесное соприкосновение как с согреваемым днищем поршня, так и с наружной стенкой 2 норшня, отдающею теплоту стенкам цилиндра, и с охлаждаемыми наружным воздухом внутренними стенками 44, 45.
В изображенном примере поршень служит также крейцкопфом и имеет поэтому цапфу 48 для шатуна. Если головка 49 последнего занимает все свободное пространство между цапфою и стенкой цилиндра (фиг. 17), то не вся передняя часть цилиндрической поверхности поршня участвует в теплоотдаче. Для этого могут быть использованы лишь части, отвечающие сегментам 37 и 38 (фиг. 18), находящимся в сообщении с верхним пространством при посредстве отверстий 33 и 34, просверленных в цапфе 48. Вместо этих отверстий можно образовать в гнездах для этой цапфы выточки 35 (фиг. 17), или же
сделать такие выточки на самой цапфе. При поршне, представленном на фиг. 16, можно охлаждать при помощи цирj кулирующей воды также и цапфу 48 для шатуна. Согласно фиг. 21 это достигается с помощью продольного канала 64, сообщающегося с двумя отделениями пространства, занятого охлаждающей водою, так что циркуляция в последнем вызовет также и циркуляцию через упомянутый канал 64.
На фиг. 19 и 20 изображены разрезы поршня по линиям А-А к В - В (фиг. 16), отличающегося лишь тем, что вся передняя часть его использована для отведения теплоты. Это возможно тогда, когда головка шатуна мала и щатун совершает небольшие размахи около цапфы. В этом случае сообщение между собою переднего и заднего пространств для охлаждающей воды достигается при помощи каналов 39 и 40 (фиг. 19), образованных в толще поршневого кожуха.
Описанное устройство для создания правильной циркуляции охлаждающей жидкости в полостях поршня может найти применение и при поршнях иной конструкции, при чем для существа дела безразлично, работает ли поршень горизонтально, вертикально или в наклонном положении.
В машине, представленной на фиг. 5 в вертикальном разрезе, имеется поршень i с одной внутренней полостью, в которой устроена направляющая стенка о, устраняющая беспорядочность движения I жидкости и сообщающая ей известную закономерность, выгодную в смысле отI ведения тепла от нагреваемой лобовой I стенки и передачи таковой остальным 1 стенкам поршня. Это - машина двойного действия, так что переменному наj греванию подвергаются обе крышки I поршня. В рассматриваемой машине I охлаждение поршневого штока 53 производится по способу, осуществленному 1 для самого поршня. С этой целью его : канал -54 заполнен водой. Так как шток i в верхней своей части непосредственно i нагревается горячими газами, то усиленное охлаждение его является весьма ; целесообразным.
В изображенном примере канал 54 штока находится в постоянном сообщеНИИ с внутренней полостью поршня. Можно, однако, разобщить этот канал и камеру поршня, причем отведение тепла, сообщенного поршневому штоку, будет происходить исключительно через хорошо охлаждаемые станки 55 сальника. Представленный на фиг. 6 поршень имеет несколько кольцевых камер 6, 7, 8, частью заполненных жидкостью, при чем каждая камера имеет свой кольцевой пояс для передачи тепла. Этот поршень особенно пригоден для вертикальных машин с направленным вверх поршневым штоком.
Поршень по фиг. 7 и 8 имеет цилиндрическую внутреннюю стенку 9, уменьшающую необходимый объем теплопередающей жидкости. Эта стенка 9, кототорая делается предпочтительно полой, связана с кожухом порщня при помощи ребер 10, разделяющих кольцевое пространство на четыре канала //. Если при горизонтально движущемся поршне два нижних канала 11 вполне заполнены жидкостью, то последняя будет совершать кругооборот, двигаясь вдоль одного днища вверх, затем вдоль верхней половины кожуха назад и вдоль второго днища вниз и распределит теплоту, поглощенную у нагреваемого днища, на все остальные стенки поршня.
На фиг. 9 представлен в продольном разрезе поршень, коего свободное внутреннее пространство почти совершенно заполнено жидкостью. Для того, чтобы при этих условиях получить желательное движение жидкости на стержне 12, расположенном по оси поршня, свободно насажена шкивообразная шайба 13, которая вследствие возвратно - поступательного движения поршня совершает размахи скользя по стержню 12, при чем спиральные пружины 14 упруго ограничивают ход шайбы 13. Ясно, что последняя играет роль перемешивающего орудия, заставляющего н идкость двигаться ритмически вверх и вниз.
На фиг. 10 и 11 показан горизонтально движущийся поршень, коего камера почти совершенно заполнена жидкостью. Внутри камеры поворотно подвешена стенка или пластинка 15, заставляющая жидкость циркулировать при движении поршня.
На фиг. 12 показан движущийся в вертикальном направлении порпгень, коего внутренняя полость лищь частьк заполнена жидкостью, при чем имеется полая вставка 16 с обратным клапаном /7 для облегчения всбрасывания жидкости. Такое устройство производит энергичное ополаскивание внутренних стенок поршня уже при незначительной скорости его движения, так как вода,, находящаяся в верхнем отделении полой вставки 16, т. е. над клапаном 17, с легкостью выбрасывается через верхний край на нагреваемое днище и затем стекает по цилиндрической стенке. Это выбрасывание воды из верхнего отделения. происходит при ускорении нисходящегодвижения порщня, при чем вода, находящаяся в нижней части, переходит в верхнее отделение вставки, так что когда это движение поршня замедляется и, наконец, сменяется на обратное по направлению, над закрытым клапаном/7 окажется новая порция воды, которую нужно будет подбросить лишь на половинную высоту. При очень длинных поршнях можно применять вставку 16 с. несколькими расположенными друг над лругом (и между собою связанн6 ми или нет) обратными клапанами 17; чем больше число клапанов 17, тем на меньшуювысоту приходится подбрасывать или. перемещать жидкость при каждом ходе поршня, так что получится энергичное ополаскивание его стенок и равномерное распределение тепла уже при небольших изменениях незначительной по величине скорости поршня. Вместо клапанов 17 можно, конечно, применять и простые заклепки, так как особой плотности закрывания не требуется.
На фиг. 13 показано предлагаемое охлаждение в применении к машине с вращающимися цилиндрами 18. В поршнях имеются закрытые камеры 3, частью заполненные водою или иною жидкостью. Цилиндры вращаются вокруг неподвижно закрепленного кривошипного вала 19, а поршни около цапфы 20 его кривошипа. Поршни получают сложное движение, слагающееся из равномерного вращения вокруг оси 19 и из возвратно - поступательного движения в радиальном направлении, обусловленногосвязью их помощью шатунов с цапфою20 кривошипа. Благодаря этому возвратно - поступательному движению поршней в радиальном направлении, заключенная в камере 5 жидкость приходит в энергичное движение и периодически перебрасывается от внешней днищевой стенки камеры к ее внутренней стенке при чем поглощенная теплота передается как цилиндрическому поясу поршня, так и этой замыкающей камеру внутренней стенке. В изображенном примере стенки цилиндров охлаждаются водою. Вместо этого охлаждения может быть применено и воздушное.
На фиг. 14 показан поршень, устроенный согласно предлагаемому изобретению и служащий для работы в машине с наклонными цилиндрами. Жидкость, которая при движении поршня вниз с большою быстротою отбрасывается к нагреваемому верхнему днищу 1, попадает при перемене направления движения поршня на изогнутую стенку 2i, с которой она вновь стекает при следующем ходе поршня. Это явление, повторяющееся при каждом полном ходе поршня, ведет, как и в предыдущих случаях, к энергичному охлаждению стенки 1 путем механического перенесения теплоты на остальные стенки поршня.
С целью увеличения поверхностей, омываемых заключенною в поршне жидкостью, можно предусмотреть, как на лобовой стенке 1, от которой отбирают тепло, так и на боковых стенках 2 поршня, которым, главным образом, эта теплота должна быть передана, различного рода возвышения, выступы или ребра 22 (ф. 15) которые в то же время будут играть роль поверхностей, разбивающих жидкость и перемешивающих ее, чем ускоряется передача тепла. Этими же возвышениями, ребрами и т. д. можно пользоваться для желательного при данных обстоятельствах распределения температуры в разных частях стенок порщня.
ПРЕДМЕТ ПАТЕНТА.
I.Охлаждаемый поршень для машин, в которых он подвергается повторному нагреванию, характеризующийся тем, что внутренняя полость (ф. 2), или полости (ф. 3, 4, 6 -8, 13) поршня наполнены совершенно или отчасти жидкостью (напр., водою), невозобновляемою во время работы машины, при чем внутренние стенки полости могут быть снабжены ребрами или выступами 22 (фиг. 15).
II.Видоизменение охарактеризованного в п. поршня, отличаюшееся тем, что внутри полости поршня устроены направляющие движение жидкости стенки 5 и 21 (ф. 5 и 14) или подвижные перегородки 13 и 15, служащие для приведения жидкости в движение (фиг. 9- 11).
III.Видоизменение охарактеризовангоно в п. поршня, отличающееся тем, что внутренние перегородки 16 разделены на два или более отделений клапанами i7 (ф. 12).
IV.Видоизменение охарактеризованного в п. / поршн, отличающееся применением открывающихся в разные стороны клапанов 31, 32 (ф. 16-20), помещающихся в поперечной стенке 50 поршня, вся полость которого разделена, кроме того, продольной перегородкой 45 на две отдельные полости 57 и 58, сообщающиеся между собой у переднего конца поршня каналами 61, 62 (или 41), и
V.Видоизменение охарактеризованного в п. / поршня, отличающееся тем, что кроме поршня охлаждается жидкостью, невозобновляемой во время работы машины (см. ф. 5, 16, 17, 21), также шток, цапфа и другие движущиеся части поршня.
к патенту ин-ца Г. ЮНКЕРС № 967,
Фиг16
ФигЖ
37
4/
к патенту ин-ца Г. ЮНКЕРС № 967.
Фигб
Фиг7.
Фмг8.
1-6
ФffгJJ
8-1
4
Фиг9
У
Фвг/5
/
-/р
13
VVVvvvvi
mm
