ПАРОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
STEAM ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению, к паровым прямоточным двигателям, предназначенным для получения электроэнергии и привода машин и механизмов, причем особенностью двигателя является подача пара через крышку цилиндра.
В наиболее распространенных прямоточных двигателях корпус механизма парораспределения располагается отдельно от корпуса поршневого двигателя, что приводит к усложнению конструкции, потерям мощности и КПД двигателя. Известны различные конструкции двигателей указанного типа, решающие задачу упрощения их конструкций, повышения мощности и КПД.
Например, известен парогазовый поршневой двигатель, в котором для повышения КПД содержится источник питания, силовой цилиндр, поршень со штоком, установленные в цилиндре с образованием штоковой и поршневой полостей, ресивер высокого давления, распределительное устройство, выполненное в виде двухпозиционного дифференциального золотника, ресивер низкого давления и вспомогательный дифференциальный цилиндр, причем ресивер высокого давления сообщается со штоковой полостью через отверстие в силовом цилиндре, закрываемое торцом поршня при расположении последнего в исходном положении, а управляющая полость дифференциального золотника через пусковой клапан и регулируемый дроссель подключена к штоковой полости силового цилиндра, при этом поршневая полость вспомогательного дифференциального цилиндра постоянно сообщена с ресивером низкого давления, двухпозиционный золотник выполнен четырехлинейным и его вход соединен с источником питания, первый выход - с поршневой полостью силового цилиндра, второй выход - с ресивером низкого давления, а канал сброса подключен к штоковой полости вспомогательного цилиндра (RU 2330160 C1, 27.07.2008).
Известен также поршневой двигатель, содержащий размещенные в рабочем цилиндре поршень со штоком, распределительное устройство, включающее фиксатор и переключающий золотник, кинематически связанный двухпозиционным прерывистым механизмом зацепления со штоком цилиндра и подключенный двумя линиями связи к камерам привода перестановки подпружиненного с одной стороны запоминающего золотника, две рабочие линии которого подключены к полостям рабочего цилиндра, а также, по меньшей мере, один поршневой компенсатор, подключенный к линии связи, причем с целью расширения диапазона применения и повышения надежности, он снабжен перепускным клапаном, включенным между линиями связи переключающего золотника, механизм зацепления которого установлен соосно со штоком рабочего цилиндра, а фиксатор выполнен в виде двух поясков, установленных по краям переключающего золотника с образованием торцевых камер, подключенных каждая к одной из линий связи, при этом привод перестановки выполнен в виде поршня, опертого на пружину запоминающего золотника (RU 2018707 C1, 30.08.1994). Данный двигатель по существу содержит цилиндр, поршень, золотник, взаимодействующий с поршнем через систему управления работой двигателя, которая включает толкатель зацепа, двухпозиционный прерывистый механизм зацепления штока рабочего цилиндра, расположенный соосно штоку, причем толкатель зацепа жестко связан со штоком цилиндра, а зацеп жестко связан с переключающим золотником другого запоминающего золотника. Двигатель преобразует энергию рабочей среды в движения рабочего поршня за счет автоматического переключения подачи рабочей среды в правую и левую полости рабочего цилиндра запоминающим золотником, при этом одновременно переключается и слив рабочей среды. Данная конструкция двигателя является сравнительно сложной.
Известен пневмодвигатель возвратно-поступательного действия, содержащий корпус с торцовыми крышками, поршень со штоком, поршневую и штоковую полости, канал в корпусе для подачи в цилиндр рабочей среды и сообщающий штоковую полость с источником давления, канал отвода рабочей среды, выполненный в поршне и штоке, сообщенный с поршневой полостью (SU 1245773 A1, 23.07.1986).
Известен механизм парораспределения для поршневого двигателя, отличающийся тем, что в качестве органов парораспределения применено необходимое количество небольших по размеру и массе односедельных круглых, не разгруженных от осевой силы клапанов, установленных в крышках рабочих цилиндров таким образом, что избыточное максимальное давление пара всегда прижимает их к седлам, приводимым в действие от распределительных валов с профилированными в радиальном и осевом направлениях кулачками и имеющим возможность перемещаться в осевом направлении в целях количественного регулирования двигателя (отдельных цилиндров в частности), посредством штанг, толкателей и рычажного механизма (RU 2006139496 A, 20.05.2008). В этой заявке представлена паросиловая установка, состоящая из соединенных между собой гидравлически парового котлоагрегата, поршневого двигателя двойного расширения, конденсационной установки и механизма парораспределения двигателя.
Из представленных аналогов близким является поршневой двигатель, содержащий цилиндр, установленный в цилиндре поршень, золотник в корпусе, в стенке корпуса золотника выполнены отверстия, сообщенные с каналами паропроводов, которые закреплены на стенке корпуса золотника, отверстия в корпусе золотника и каналы паропроводов сообщены между собой через полость золотника и с источником рабочей среды, а в цилиндре выполнены окна для выпуска рабочей среды (RU 2018707 C1, 30.08.1994).
Данный двигатель имеет сравнительно сложную конструкцию, сложность приводит к увеличению числа пар трения, что в результате приводит к потерям мощности на преодоление трения, а также к потерям пара через уплотнения, Из зарубежной патентной документации известен поршневой двигатель, содержащий цилиндр с установленным в нем поршнем, каналы подачи рабочего тела в поршневую и штоковую полости цилиндра, распределитель рабочего тела с регулирующим гидравлическим клапаном (US 4022269 A, 10.05.1977), причем в другом известном поршневом двигателе каналы подачи рабочей среды в поршневую и штоковую полости цилиндра сообщены через трубчатый золотник, который установлен параллельно цилиндру (US 2265667 A, 12.01.1954).
В другом известном поршневом двигателе (US 1661558 A) золотник выполнен за одно с поршнем методом литья, что существенно усложняет конструкцию двигателя. Как следует из описания US 1661558 A, поршень этого двигателя имеет ступенчатую форму и его верхняя ступень, имеющая меньший диаметр, выполняет функции золотника. Эта ступень выполнена глухой, в ней нет отверстий, сообщающих полость золотника с каналами распределительного устройства двигателя. Движение рабочего тела (пара) известного двигателя требует применения дополнительного поршневого механизма для всасывания рабочего тела, что в итоге связано со сложностью устройства известного двигателя.
Из известных двигателей наиболее близким к двигателю, представленному в данном описании, является паровой прямоточный двигатель, в котором орган парораспределения перемещается вместе с поршнем как одна часть двигателя (RU 2548241 C1, 20.04.2015, прототип).
Указанный патент, выданный на имя заявителя данной заявки, представляет поршневой двигатель, содержащий цилиндрический корпус, по меньшей мере, одного цилиндра, установленный в корпусе цилиндра поршень, который шарнирно соединен с шатуном, и золотник, установленный в корпусе золотника, причем цилиндр выполнен с торцовой стенкой и отверстием в ней, золотник выполнен полым с верхними и нижними радиальными отверстиями в стенке золотника, в корпусе золотника выполнены радиальные отверстия, совмещаемые с нижними отверстиями полого золотника, нижние отверстия золотника сообщены с полостью цилиндра, полостью корпуса золотника и полостью золотника, корпус золотника установлен в отверстии торцовой стенки и жестко соединен с корпусом цилиндра, при этом золотник жестко соединен с поршнем с возможностью перемещения относительно корпуса цилиндра и корпуса золотника.
Второй вариант поршневого двигателя по патенту RU 2548241 C1 содержит цилиндрический корпус, по меньшей мере, одного цилиндра, установленный в корпусе цилиндра поршень, который шарнирно соединен с шатуном, и золотник, установленный в корпусе золотника, причем цилиндр выполнен с торцовой стенкой и отверстием в ней, золотник выполнен полым с верхними и нижними радиальными отверстиями в стенке золотника, в корпусе золотника выполнены радиальные отверстия, совмещаемые с нижними отверстиями полого золотника, нижние отверстия золотника сообщены с полостью цилиндра, полостью корпуса золотника и полостью золотника, корпус золотника установлен в отверстии торцовой стенки и жестко соединен с корпусом цилиндра, при этом в верхней части золотник закрыт крышкой, закрывающей сверху полость золотника, а нижний торец золотника расположен в полости цилиндра с возможностью контакта торца золотника с поршнем.
В патенте RU 2548241 C1 представлен также цилиндрический корпус поршневого двигателя одного цилиндра, корпус золотника с отверстиями в его стенке для подвода рабочей среды в золотник, причем цилиндрический корпус выполнен с верхней торцовой стенкой, в которой выполнено отверстие и в нем закреплен корпус золотника, а в стенке цилиндра выполнены выхлопные отверстия.
В двигателе по патенту RU 2548241 C1 для впуска пара применен цилиндрический золотник, представляющий собой полую трубку с креплением к поршню, в верхней и нижней частях которой имеются отверстия для прохода пара. Золотник движется в цилиндрическом корпусе, внутренняя поверхность которого плотно прилегает к внешней поверхности золотника и его уплотнениям, не позволяя пару свободно проходить между и золотником, и корпусом. Корпус прикреплен к крышке цилиндра так, что золотник, будучи прикреплен к поршню, свободно движется вместе с поршнем через крышку цилиндра. К корпусу подсоединен паропровод для подачи пара, а выпуск пара осуществляется через боковые окна цилиндра, как в обычном прямоточном двигателе. Отверстия в золотнике расположены так, что в период впуска пара в цилиндр верхние отверстия совпадают с отверстиями в корпусе для подвода пара из паропровода, а нижние отверстия позволяют выйти пару в пространство между поршнем и крышкой цилиндра, после того как пар прошел по внутреннему каналу золотника.
Общими признаками прототипа и представленного в данном описании технического решения является то, что каждый паровой двигатель содержит корпус, в котором расположен цилиндр с поршнем, соединенным через кривошипно-шатунный механизм с валом двигателя, на торце поршня закреплен корпус золотника для впуска пара, в корпусе золотника подвижно установлен выполненный в виде трубки золотник для впуска пара, а также впускные паропроводы, сообщенные с полостью корпуса золотника и полостью золотника для впуска пара.
Компоновка двигателя, изготовленного в соответствии с прототипом, позволила существенно упростить конструкцию и устранить потери сжатого пара, однако как показали испытания двигателя, он является сравнительно сложным и эта сложность связана с наличием боковых окон в цилиндре, через которые выпускается отработанный пар. Боковые окна в цилиндре связаны с необходимостью усложнения конструкции введением в конструкцию средств для отвода пара и закрывания указанных окон. При этом, как показали испытания изготовленного в соответствии с прототипом двигателя, его габариты не отвечают показателям компактности и не позволяют оптимально компоновать его с узлами транспортных и силовых машин.
Техническим результатом данного изобретения является повышение компактности и упрощение конструкции двигателя.
Технический результат получен паровым двигателем, содержащим корпус, в котором расположен цилиндр с поршнем, соединенным через кривошипно-шатунный механизм с валом двигателя, на торце цилиндра закреплен корпус золотника для впуска пара, в корпусе золотника подвижно установлен выполненный в виде трубки золотник для впуска пара, а также впускные паропроводы, сообщенные с полостью корпуса золотника и полостью золотника для впуска пара, причем на торце цилиндра закреплен второй корпус золотника для выпуска пара, в котором подвижно установлен выполненный в виде трубки золотник для выпуска пара, при этом корпус золотника для выпуска пара имеет выпускные паропроводы, сообщенные с полостями второго корпуса и второго золотника, в золотниках выполнены верхние и нижние отверстия, а в корпусах золотников выполнены верхние и нижние отверстия для выпуска пара, при этом золотник для впуска пара выполнен с глухим верхним торцом.
На фиг. 1 показан паровой двигатель при достижении поршнем ВМТ, положение впуска сжатого пара;
на фиг. 2 - двигатель при достижении поршнем НМТ, выпуск отработавшего пара;
на фиг. 3 - двигатель при достижении поршнем промежуточного положения, период работы пара или положение поршня при его возврате в исходное положение перед впуском пара в цилиндр;
на фиг. 4 - вид на двигатель сверху (увеличено).
Паровой двигатель (фиг. 1) содержит корпус 1 с цилиндром 2, имеющим крышку 3, образующую торец цилиндра. В цилиндре расположен поршень 4. На торце цилиндра закреплены корпус 5 золотника для впуска пара и корпус 6 золотника для выпуска пара. Верхние торцы корпусов 5 и 6 выполнены глухими. Корпус каждого золотника выполнен трубчатым. В корпусе 5 подвижно установлен трубчатый впускной золотник 7 для впуска пара, который закрыт сверху глухим торцом. В корпусе 6 подвижно установлен трубчатый выпускной золотник 8 для выпуска пара. Трубчатые золотники внутри имеют центральные полости.
Двигатель имеет связанный с поршнем 4 шатун 9, с которым связан коленчатый вал 10 с закрепленным на нем маховиком 11. Двигатель имеет впускные паропроводы 12 (фиг. 4), сообщенные с полостью корпуса 5 золотника и полостью золотника 7, и выпускные паропроводы 13, сообщенные с полостью корпуса 6 золотника и полостью золотника 8. В золотниках 7 и 8 (фиг. 1-3) выполнены верхние и нижние отверстия. Верхней черной точкой на впускном золотнике 7 (фиг. 2) показаны верхние впускные отверстия 14 впускного золотника 7. Отверстия 14 расположены в стенках трубчатого золотника. Верхней черной точкой на выпускном золотнике 8 (фиг. 1) показаны выпускные отверстия 15 выпускного золотника 8, выполненные в стенках трубчатого золотника 8. Верхним белым кружком на корпусе 5 (фиг. 2) показаны отверстия 16 в нем для впуска пара, выполненные в стенках трубчатого корпуса 5. Верхним белым кружком на корпусе 6 (фиг. 1) показаны отверстия 17 в корпусе 6 золотника для выпуска пара, выполненные в стенках корпуса 6. Нижними черными точками на золотниках 7 и 8 показаны отверстия 18 для прохода пара в золотники и выхода пара из золотников. Каждый золотник представляет собой полую трубку, прикрепленную к поршню. Жесткое соединение золотника с поршнем осуществлено так, что оно не мешает проходу пара. Корпус каждого золотника прикреплен к крышке 3 цилиндра так, что прикрепленный к поршню каждый золотник, свободно движущийся вместе с поршнем, движется в отверстии в крышки цилиндра. Размеры и расположение отверстий в каждом золотнике и каждом корпусе золотника подобраны с учетом того, что в течение периодов выпуска и впуска пара, отверстия остаются полностью или частично совмещены для прохода пара. В отличие от выпускного золотника 8 верхний торец впускного золотника 7 выполнен глухим, он закрыт верхней стенкой 19. Золотник 8 выполнен без верхней торцовой стенки, что не исключает выполнение золотника 8 с торцовой стенкой, выполненной так, как выполнен золотник 7. В случае исполнения золотника 8 с глухой верхней торцовой стенкой, возможно размещение дополнительного выпускного паропровода в верхней торцевой стенке корпуса 6 золотника 8.
Работает двигатель следующим образом. При работе двигателя каждый золотник движется в цилиндрическом корпусе, внутренняя поверхность которого плотно прилегает к внешней поверхности золотника и его уплотнениям, не позволяя пару свободно проходить между золотником и его корпусом. При движении поршня 4 (фиг. 1) вверх вместе с золотниками 7 и 8 осуществляется начало впуска пара в цилиндр через впускные паропроводы 12 (фиг. 4) непосредственно перед моментом достижения поршнем верхней мертвой точки (ВМТ). Это происходит в момент начала впуска пара через верхние отверстия 14 во впускном золотнике 7, когда отверстия 14 совмещаются с отверстиями 16 в корпусе 5 золотника 7. В этом положении пар проходит из подающего пар паропровода 12 через отверстия 14 и 16 в золотник 7 и далее, через центральную полость трубчатого впускного золотника 7 и нижние отверстия 18 золотника, пар попадает в цилиндр двигателя в надпоршневое пространство. При этом отверстия 15 выпускного золотника 8 перекрыты стенками корпуса 6 и пар не выходит из цилиндра в выпускные паропроводы 13.
После окончания периода впуска пара и прохождения поршнем ВМТ золотник 7 перемещается вместе с поршнем 4 в промежуточное положение (фиг. 3) к нижней мертвой точке (НМТ). Поскольку отверстия 14 золотника 7 перекрыты стенками корпуса 5, а сверху золотник закрыт глухим торцом, то пар из впускного паропровода 12 проходит через отверстия 16 в корпус 5 впускного золотника 7, при этом пар не попадает в цилиндр двигателя. Соответственно этому положению, отверстия 15 выпускного золотника 8 перекрыты стенками корпуса 6 и пар не выходит из цилиндра в выпускной паропровод 13. Кроме того, также отверстия 17 в выпускном корпусе 6 золотника 8 закрыты стенкой золотника и дополнительно препятствуют выходу пара наружу через выпускной паропровод 13. В этот период при перемещении поршня от ВМТ до НМТ происходит расширение находящегося в цилиндре пара, который действует на поршень и совершает полезную работу. Поскольку внутри золотников 7 и 8 пар присутствует, поступая через нижние отверстия 18 золотников, то он также участвует в работе при расширении пара.
При достижении НМТ верхние отверстия 15 в выпускном золотнике 8 совмещаются с отверстиями 17 в корпусе 6 этого золотника и пар выходит из цилиндра через нижние отверстия 18 золотника 8, его внутренний канал и далее, через отверстия 15 и 17, в выпускной паропровод 13. При этом отверстия 14 золотника 7 перекрыты стенками корпуса 5, сверху золотник закрыт глухим торцом корпуса и пар из впускного паропровода 12 проходит через отверстия 16 в корпус 5, но не попадает в цилиндр двигателя и не сообщается с выпускным паропроводом 13. При движении поршня вверх, после прохождения им НМТ, наступает промежуточное положение поршня (фиг. 3). В этот период, до момента достижения ВМТ, так же, как и в промежуточном положении при движении поршня вниз, отверстия 14, 15 и 17 перекрыты стенками и внутреннее пространство цилиндра не сообщается с впускным и выпускным паропроводами 12 и 13. В этот период происходит сжатие оставшегося в цилиндре и золотниках пара после его выпуска. При достижении поршнем ВМТ цикл работы двигателя повторяется.
Паровой двигатель имеет удовлетворяющую практическим требованиям компактность. Это достигнуто благодаря использованию части пространства над корпусом двигателя для размещения в нем выпускного золотника рядом с впускным золотником. Такая компоновка позволила исключить выпускные окна в цилиндре поршня, имеющие место в прототипе, что позволило существенно упростить конструкцию цилиндра и двигателя в целом.