ТУРБОПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ

1. Название полезной модели.
«Турбопоршневой двигатель», Далее - полезная модель.
2. Область техники, к которой относится полезная модель.
Полезная модель относится к областям машиностроения, энергетики, судостроения, авиастроения и предназначена для преобразования энергии рабочего тела в механическую работу.
3. Уровень техники.
Из уровня техники известен турбопоршневой двигатель содержащий ротор, поршень и клапан. Зубчатая шестерня на валу ротора зацеплена зубчатой шестерней одинакового диаметра на валу клапана. Поршень под действием потенциальной энергии рабочего тела может перемещаться в цилиндре относительно неподвижного корпуса и непосредственно передавать вращательное движение на ротор с валом без промежуточных передач. Ротор, закрепленный на валу, имеет цилиндрическую форму и помещен в цилиндрический корпус. Поршень, закрепленный на роторе по окружности, помещен в уширение цилиндрического корпуса - в цилиндр с клапаном цилиндрической формы. Сторона поршня, на которую может оказывать давление рабочее тело, имеет прямоугольную форму. Клапан цилиндрической формы, закрепленный на валу и помещенный в отверстие в цилиндре, может вращаться в цилиндре. Между клапаном и ротором имеется минимальный зазор. Клапан может создавать закрытое пространство в цилиндре между поршнем и клапаном. Клапан имеет вырез по окружности для пропуска поршня под клапаном и канал подачи рабочего тела, проходящий через вал клапана. При совмещении канала подачи рабочего тела на валу клапана с отверстием трубки подачи рабочего тела, идущей от аккумулятора рабочего тела, рабочее тело при открытом кране подачи рабочего тела может поступать в закрытое пространство цилиндра между клапаном и поршнем. За один такт «Рабочий ход» поршень под действием энергии рабочего тела поворачивает ротор с валом на угол более 300 градусов.
Источник информации:
Описание изобретения к патенту RU 2 364 726 C2.
Прототипом данной полезной модели является двигатель, описанный в патенте RU 2 364 726 C2 В. Батленовым в 2007 году.
Основные сходства данной полезной модели с аналогом.
1. Крутящий момент вала ротора в турбопоршневом двигателе создается путем подачи рабочего тела в цилиндр.
2. Клапан цилиндрической формы, закрепленный на валу и помещенный в отверстие в цилиндре, может вращаться в цилиндре. Между клапаном и ротором имеется минимальный зазор. Клапан цилиндрической формы может создавать закрытое пространство в цилиндре между поршнем и клапаном. Клапан имеет вырез по окружности для пропуска поршня под клапаном.
3. Зубчатая шестерня на валу ротора зацеплена зубчатой шестерней одинакового диаметра на валу клапана.
Основные недостатки турбопоршневого двигателя В. Батленова:
1. Устройство подачи рабочего тела в цилиндр турбопоршневого двигателя через вал клапана увеличивает размер - длину турбопоршневого двигателя.
2. Рабочее тело, проходя значительное расстояние через вал клапана по каналу для подачи рабочего тела, от крана подачи рабочего тела до цилиндра, теряет не эффективно часть своей энергии. Впуск рабочего тела в цилиндр происходит только короткий промежуток времени - за время поворота поршня на 15° и при больших оборотах ротора заданное количество рабочего тела не успевает поступить в цилиндр между поршнем и клапаном, что способствует уменьшению заданной мощности двигателя и при этом для эффективной работы двигателя подаваемое давление рабочего тела в цилиндры должно быть значительным, до 10 атм.
3. Резкие колебания давления рабочего тела в цилиндре вызывают неравномерность работы турбопоршневого двигателя.
4. Рабочее тело, со значительным давлением, оставшиеся в объемах канала подачи рабочего тела и выреза на клапане, после подачи в цилиндр турбопоршневого двигателя, при дальнейшем повороте клапана уходит в отверстие для выпуска рабочего тела без совершения полезной работы.
4. Раскрытие полезной модели.
Полезная модель разработана для уменьшения размера - длины и удельного веса турбопоршневого двигателя, для уменьшения не эффективных затрат рабочего тела - сжатого воздуха, пара, газа, жидкости и для приведения работы двигателя без резких скачков - выравнивание неравномерность работы двигателя, уменьшение вибрации, и является логическим усовершенствованием турбопоршневого двигателя описанного В. Батленовым в патентах на изобретение RU №2364726 и RU №2454545.
Существенные признаки характеризующие полезную модель и их отличие от аналога:
1. Длина турбопоршневого двигателя на 25% меньше от аналога при одинаковых технических характеристиках.
2. Равномерная работа турбопоршневого двигателя на всех оборотах с наименьшей вибрацией.
3. Рабочее тело подают в цилиндры между клапаном цилиндрической формы и поршнем, поочередно, при открытом кране для пуска двигателя при помощи крана подачи рабочего тела установленного в корпусе многоцилиндрового турбопоршневого двигателя рядом с цилиндрами, после того как поршень в цилиндре проходит под вырезом по окружности на клапане, а вырез по окружности на клапане минует цилиндр и рабочее тело проходит минимальное расстояние от крана подачи рабочего тела до цилиндра с минимальными потерями энергии и объема рабочего тела.
4. Подача рабочего тела в следующий цилиндр начинают до прекращения подачи рабочего тела в предыдущий цилиндр и когда рабочее тело поступает в цилиндр между поршнем и клапаном цилиндрической формы, расширяясь приводит в движение поршень в цилиндре и поршень передает вращательное движение, непосредственно, без промежуточных передач на ротор, создавая крутящий момент вала ротора и энергия рабочего тела превращается в механическую работу.
5. Зубчатые шестерни одинакового диаметра образуют зубчатую передачу для подачи крутящего момента от вала ротора на кран подачи рабочего тела и для синхронной работы ротора и поршня в цилиндре с краном подачи рабочего тела.
6. Зубчатые шестерни другого одинакового диаметра образуют зубчатую передачу для подачи крутящего момента от вала ротора на вал клапана цилиндрической формы и для синхронной работы клапана цилиндрической формы, ротора и поршня в каждом цилиндре.
7. Поршни в цилиндрах смещены относительно друг друга по кругу на равные расстояния и соответствуют смещениям выемок для подачи рабочего тела в цилиндры и вырезов для пропуска поршня под клапаном. Угол φ смещения поршней относительно друг друга в цилиндрах и смещения выемок подачи рабочего тела, вырезов по окружности на клапане относительно друг друга рассчитывается по формуле:
,
где: «n» - число дополнительно введенных цилиндров в аналог турбопоршневого двигателя;
(1+n) - общее количество цилиндров в турбопоршневом двигателе.
8. Каждый клапан цилиндрической формы имеет вырез по окружности на клапане для пропуска поршня под клапаном, в цилиндре.
9. Для пуска турбопоршневого двигателя не требуется дополнительного устройства или стартера, пуск и остановка двигателя осуществляется при помощи крана для пуска двигателя.
10. Турбопоршневой двигатель эффективно может работать на давлениях от 2 до 10 атм.
11. В турбопоршневом двигателе (1+n) роторов закреплены на одном валу ротора и (1+n) клапанов цилиндрической формы закреплены на одном валу клапана.
12. Число дополнительно введенных «n» цилиндров, «n» роторов, «n» поршней и «n» клапанов цилиндрической формы в аналог данной полезной модели зависит от требуемой мощности турбопоршневого двигателя и число «n» выбирают от 1 до 11 и от 11 до 99 для турбопоршневых двигателей большой мощности.
13. Турбопоршневой двигатель способен преобразовывать энергию рабочего тела - сжатого воздуха, пара, газа, получаемого при сгорании жидкого или газообразного топлива вне турбопоршневого двигателя и жидкости в механическую работу.
Техническим результатом является уменьшение размера - длины и удельного веса турбопоршневого двигателя, уменьшение потерь рабочего тела не производящих полезную работу, экономное использование энергии рабочего тела и ровная работа двигателя на всех оборотах, снижение вибрации двигателя.
Технический результат достигается тем, что в турбопоршневой двигатель, содержащий корпус в котором расположен цилиндр, ротор на валу, поршень, клапан цилиндрической формы на валу, где зубчатые шестерни одинакового диаметра образуют зубчатую передачу с возможностью передачи крутящего момента от вала ротора на вал клапана цилиндрической формы, введены дополнительно «n» цилиндров, расположенных в одном ряду друг за другом, при этом, роторы, поршнии клапаны цилиндрической формы введены по количеству «n» цилиндров и каждый клапан цилиндрической формы имеет вырез для пропуска поршня и еще дополнительно введены: впускной коллектор, кран для пуска двигателя, кран подачи рабочего тела цилиндрической формы, подшипники, при этом кран подачи рабочего тела расположен в корпусе на подшипниках рядом с цилиндрами и выполнен для каждого цилиндра с выемкой для подачи рабочего тела в цилиндр - на цилиндрической поверхности крана подачи рабочего тела, а корпус выполнен с окном подачи рабочего тела в цилиндр - для каждого цилиндра и с окном подачи рабочего тела в кран подачи рабочего тела - для каждого цилиндра, при чем, между корпусом и краном подачи рабочего тела имеется зазор, зубчатые шестерни одинакового диаметра образуют зубчатую передачу с возможностью передачи крутящего момента от вала ротора на кран подачи рабочего тела, при этом каждая выемка на кране подачи рабочего тела способна соединять окно подачи рабочего тела в кран подачи рабочего тела с окном подачи рабочего тела в цилиндр.
5. Краткое описание чертежей.
Перечень фигур с краткими пояснениями:
1. На фиг. 1 изображена схема четырехцилиндрового турбопоршневого двигателя в поперечном разрезе с краном подачи рабочего тела установленным в корпусе четырехцилиндрового турбопоршневого двигателя.
2. На фиг. 2 изображена схема крана подачи рабочего тела с впускным коллектором четырехцилиндрового турбопоршневого двигателя в продольном разрезе.
3. На фиг. 3 изображена диаграмма изменения давления в цилиндрах в зависимости от угла поворота вала ротора в четырехцилиндровом турбопоршневом двигателе.
Фиг. 1, где: 1 - ротор цилиндрической формы;
2 - вал ротора;
3 - поршень, на поршень оказывает давление рабочее тело в цилиндре и создает крутящий момент вала ротора;
4 - цилиндр, в цилиндре перемещается поршень под давлением рабочего тела;
5 - клапан цилиндрической формы;
6 - вал клапана;
7 - вырез по окружности на клапане для пропуска поршня под клапаном;
8 - корпус турбопоршневого двигателя;
9 - кран подачи рабочего тела цилиндрической формы с впускным коллектором, установлен в корпусе турбопоршневого двигателя, между цилиндрической поверхностью крана и корпусом двигателя имеется минимальный зазор;
10 - выемка для подачи рабочего тела в цилиндр на цилиндрической поверхности крана подачи рабочего тела;
11 - окно подачи рабочего тела в цилиндр;
12 - окно подачи рабочего тела в кран подачи рабочего тела цилиндрической формы;
13 - рабочее тело - сжатый воздух, пар, газы получаемые при сгорании жидкого или газообразного топлива вне турбопоршневого двигателя, жидкость;
14 - отверстие для выпуска отработанного рабочего тела.
Фиг. 2, где: 15 - подшипник, в корпусе турбопоршневого двигателя кран подачи рабочего тела цилиндрической формы вращается на подшипниках;
16 - впускной коллектор, предназначен для подачи рабочего тела в окна подачи рабочего тела крана подачи рабочего тела цилиндрической формы;
17 - кран для пуска двигателя;
18 - зубчатая шестерня, зубчатые шестерни образуют зубчатые передачи;
Фиг. 3, где: 19 - диаграмма изменения давления в первом цилиндре в зависимости от угла поворота вала ротора в четырехцилиндровом турбопоршневом двигателе;
20 - диаграмма изменения давления в четвертом цилиндре в зависимости от угла поворота вала ротора в четырехцилиндровом турбопоршневом двигателе;
21 - диаграмма изменения давления во втором цилиндре в зависимости от угла поворота вала ротора в четырехцилиндровом турбопоршневом двигателе;
22 - диаграмма изменения давления в третьем цилиндре в зависимости от угла поворота вала ротора в четырехцилиндровом турбопоршневом двигателе.
6. Осуществление полезной модели.
Частный случай -четырехцилиндровый турбопоршневой двигатель. Технические характеристики четырехцилиндрового турбопоршневого двигателя «Пул-кар» представлены в таблице.
В четырехцилиндровом турбопоршневом двигателе четыре цилиндра 4 размещены в одном ряду друг за другом. В корпусе 8 двигателя, рядом с цилиндрами 4 установлен кран 9 подачи рабочего тела 13 на подшипниках 15. Между цилиндрической поверхностью крана 9 и корпуса 8 имеется минимальный зазор. На цилиндрической поверхности крана 9 напротив каждого цилиндра 4 имеется выемка 10 для подачи рабочего тела 13 в цилиндр 4. На цилиндрической поверхности крана 9 с обеих сторон выемки 10 имеются уплотнительные кольца, а между ними канал подачи смазки на цилиндрическую поверхность крана 9. Три зубчатые шестерни 18 одинакового диаметра, установленные: одна - на валу 2 ротора 1, следующая - на оси с подшипником 15 закрепленном на корпусе 8 между валом 2 ротора 1 и краном 9, другая - на кране 9, образуют зубчатую передачу для передачи крутящего момента от вала 2 ротора 1 на кран 9. Зубчатая шестерня 18 установленная на валу 2 ротора 1 и зубчатая шестерня 18 такового же диаметра установленная на валу 6 клапана 5 образуют зубчатую передачу для передачи крутящего момента от вала 2 ротора 1 на вал 6 клапана 5. В корпусе 8, где размещен кран 9 для каждого цилиндра 4 имеется окно 11 для подачи рабочего тела 13 в цилиндр 4 и окно 12 подачи рабочего тела 13 в кран 9 соответственно для каждого цилиндра 4. При открытом кране 17 для пуска двигателя, рабочее тело 13, из аккумулятора рабочего тела 13 через редуктор по впускному коллектору 16 поступает в окна 12 подачи рабочего тела 13 в кран 9. Рабочее тело 13 в цилиндры 4 поступает поочередно, в тот момент, когда поршень 3 в цилиндре 4 проходит под вырезом 7 по окружности на клапане 5 цилиндрической формы, а вырез 7 по окружности на клапане 5 минует цилиндр 4 и когда выемка 10 на цилиндрической поверхности крана 9 совершая вращательное движение соединяет окно 11 подачи рабочего тела 13 в цилиндр 4 с окном 12 подачи рабочего тела 13 в кран 9. Рабочее тело 13 подают в цилиндр 4 в течении времени поворота вала 2 ротора 1 на угол 100°. Рабочее тело 13 в следующий цилиндр 4 начинают подавать до прекращения подачи рабочего тела 13 в предыдущий цилиндр 4. Поршни 3 в цилиндрах 4 смещены равномерно относительно друг друга по кругу на угол 90° и соответствуют смещениям выемок 10 для подачи рабочего тела 13 в цилиндры 4. Порядок подачи рабочего тела 13 в цилиндры 4:1-4-2-3. Когда рабочее тело 13, поступает в цилиндр 4 между поршнем 3 и клапаном 5, расширяясь приводит в движение поршень 3 в цилиндре 4 и поршень 3 передает вращательное движение, непосредственно, без промежуточных передач на ротор 1, создавая крутящий момент вала 2 ротора 1 и энергия рабочего тела 13 превращается в механическую работу. Объем подачи рабочего тела 13 в цилиндры 4 регулируют краном 17. Отработанное рабочее тело 13 выходит из цилиндра 4 через отверстие 14 для выпуска отработанного рабочего тела 13 в выпускной коллектор, а затем - в атмосферу. Аккумулятор рабочего тела 13 периодически пополняют рабочим телом 13. Четырехцилиндровый двигатель способен преобразовать энергию рабочего тела 13 - сжатого воздуха в механическую работу.
Технический результат в основном достигается введением в аналог полезной модели, дополнительно, трех цилиндров 4, трех поршней 3, трех роторов 1, трех клапанов 5 и размещением крана 9 подачи рабочего тела 13 рядом с цилиндрами 4 и при этом в четырехцилиндровом турбопоршневом двигателе четыре ротора 1 закреплены на одном валу 2 ротора 1, а четыре клапана 5 закреплены на одном валу 6 клапана 5. В каждый цилиндре 4 помещен один поршень 3, закрепленный на роторе 1 и один клапан 5 цилиндрической формы.
Таблица технических характеристик четырехцилиндрового турбопоршневого двигателя «Пул-кар»
Параметры
Величины
1. Число цилиндров
4
2. Диаметр ротора, мм
200
3. Диаметр клапана, мм
200
4. Диаметр цилиндра, мм
300
5. Площадь поршня, мм2
2500
6. Рабочее тело - сжатый воздух
7. Давление сжатого воздуха в цилиндре в начале
такта «Рабочий ход», атм
от 2 до 10
8. Объем аккумулятора сжатого воздуха - баллона высокого давления до 200 атм, л
100
9. Крутящий момент на валу ротора при подачи в цилиндры рабочего тела давлением 4 атм, кгс × м
26
10. Крутящий момент на валу ротора при подачи в
цилиндры рабочего тела давлением 10 атм, кгс × м
64