ТУРБОПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
TURBO-PISTON ENGINE

1. Название изобретения.
«Турбопоршневой двигатель». Далее - Изобретение.
2. Область техники, к которой относится Изобретение.
Изобретение преимущественно относится к области машиностроения.
3. Уровень техники.
Из уровня техники известны следующие устройства для преобразования энергии рабочего тела в механическую работу.
Двигатель - энергосиловая машина, преобразующая какой-либо вид энергии в механическую работу. В зависимости от типа двигателя работа может быть получена от вращающегося ротора, возвратно-поступательно движущегося поршня или от реактивного аппарата. Двигатели приводят в действие рабочие машины, транспортные средства сухопутного, водного, воздушного и космического назначения, производственно-технологической установки, коммунальные и бытовые приборы. Двигатели, непосредственно преобразующие природные энергетические ресурсы в механическую энергию, называются первичными.
Источник информации:
Большая Советская энциклопедия. Том 7. - М.: Советская энциклопедия, 1975. - С.574.
Поршневая машина - устройство, в котором основные функции по преобразованию энергии рабочего тела выполняет поршень. При его движении вместе с изменением объема камеры, которую он образует с цилиндром поршневой машины, изменяются параметры - давление, температура рабочего тела. При работе поршневой машины энергия рабочего тела может понижаться или повышаться. Впуск и выпуск рабочего тела в цилиндр поршневой машины регулируются распределительным устройством с помощью клапанов, золотников или самого поршня.
Для поршневой машины характерна цикличность и прерывистость рабочего процесса. В большинстве поршневых машин поршень связан с коленчатым валом кривошипным механизмом, с помощью которого возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение вала. Из-за цикличности рабочего процесса и наличия кривошипного механизма поршневые машины не так быстроходны, как лопаточные машины, они имеют большую удельную массу и большие потери на трение.
Источник информации:
Большая Советская энциклопедия. Том 20. - М.: Советская энциклопедия, 1975. - С.404.
Поршень - подвижная деталь поршневой машины, перекрывающая поперечное сечение ее цилиндра и перемещающаяся в направлении его оси. В двигателях, силовых цилиндрах, прессах поршень передает давление рабочего тела движущимся частям.
Источник информации:
Большая Советская энциклопедия. Том 20. - М.: Советская энциклопедия, 1975. - С.404.
Паровая машина - первичный поршневой двигатель, в котором потенциальная энергия сжатого водяного пара преобразуется в механическую работу.
Источник информации:
Большой энциклопедический словарь. Политехнический. - М.: Большой энциклопедический словарь, 2000. - С.360.
Турбина - первичный двигатель с чисто вращательным движением рабочего органа - ротора и непрерывным рабочим процессом, преобразующий в механическую работу кинетическую энергию подводимого рабочего тела - пара, газа или воды.
Прежде всего, паровая турбина начала вытеснять отжившую свой век паровую машину. Она позволяла преобразовывать энергию пара во вращательное движение вала непосредственно, без промежуточных передач, поэтому имела КПД значительно выше, чем у паровой машины.
Источник информации:
1. Большая Советская энциклопедия. Том 26. - М.: Советская энциклопедия, 1975. - С.320.
2. Дятчин Н.И. История развития техники: Учебное пособие. - Ростов н/Д: Феникс, 2001. - С.219.
Ванкеля двигатель - роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, конструкция которого разработана в 1957 инженером Ф.Ванкелем. Особенность двигателя - применение вращающегося ротора-поршня, размещенного внутри цилиндра, поверхность которого выполнена по эпитрохоиде. Установленный на валу ротор жестко соединен с зубчатым колесом, которое входит в зацепление с неподвижной шестерней. Ротор с зубчатым колесом как бы обкатывается вокруг шестерни. Его грани при этом скользят по эпитрохоидальной поверхности цилиндра и отсекают переменные объемы камер в цилиндре. Такая конструкция позволяет осуществить 4-тактный цикл без применения специального механизма газораспределения. Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами.
Источник информации:
Большая Советская энциклопедия. Том 4. - М.: Советская энциклопедия, 1975. - С.289, 290.
Аналогом данного Изобретения является двигатель, описанный в патенте US 817814 A Карлом Штальгреном в 1906 году.
Основные сходства данного Изобретения с двигателем Карла Штальгрена:
1. Поршень вращается внутри цилиндра.
2. Клапан цилиндрической формы.
3. Зубчатая шестерня на валу ротора зацеплена зубчатой шестерней одинакового диаметра на валу клапана.
4. Поршень под действием потенциальной энергии рабочего тела может перемещаться в цилиндре относительно неподвижного корпуса и непосредственно передавать вращательное движение на ротор без промежуточных передач.
Недостатки двигателя Карла Штальгрена:
1. Диаметр вращения поршня равен диаметру клапана, что отрицательно влияет на мощность двигателя.
2. Поршень имеет семь сторон, которыми соприкасается со стенками цилиндра, что ухудшает герметичность цилиндра.
3. Клапан цилиндрической формы имеет два выреза, один - для пропуска поршня, второй - для подачи рабочего тела, что увеличивает угол поворота поршня в цилиндре холостым ходом.
4. Клапан цилиндрической формы в корпусе вращается на неподвижной гильзе, что отрицательно влияет на срок службы двигателя и применение различных рабочих тел для работы двигателя.
1. Сущность изобретения.
Изобретение направлено на создание турбопоршневого двигателя преимущественно для транспортных средств:
1) способного преобразовывать, подобно турбине, энергию рабочего тела во вращательное движение вала непосредственно, без промежуточных передач;
2) с вращающимся в цилиндре с клапаном поршнем, закрепленным по окружности на роторе цилиндрической формы;
3) с вращающимся клапаном для регулировки подачи и выпуска рабочего тела.
Цель изобретения - расширение арсенала технических средств: двигателей для преобразования энергии рабочего тела - пара, газа, сжатого воздуха в механическую работу.
Существенными признаками, характеризующими изобретение, являются:
1. Под действием энергии рабочего тела поршень в цилиндре совершает только вращательное движение, и потенциальная энергия рабочего тела превращается в механическую работу.
2. За один такт «Рабочий ход» под действием энергии рабочего тела поршень, закрепленный на роторе, поворачивает ротор с валом на угол больше 300°.
3. Значительно большой крутящий момент в начале рабочего хода.
4. Эффективная работа при давлении рабочего тела ниже среднего.
5. Надежность и длительный срок работы двигателя.
6. Получение большой агрегатной мощности, увеличивая диаметр ротора, площадь поршня, давления рабочего тела и количество цилиндров с поршнем.
7. Способность устойчиво работать при очень малых частотах вращения ротора с большим крутящим моментом.
8. При наличии двух цилиндров с поршнем в любой момент времени при подаче рабочего тела в одном из цилиндров будет рабочий ход.
9. Способность работать на водяном паре, получаемом по способу, описанному в патенте № RU 225104 С2 «Способ получения пара из воды в паровой машине».
10. Способность работать на газе, получаемом от сгорания бензина, природного газа, солярки, спирта вне турбопоршневого двигателя.
11. Способность работать на экологически чистом рабочем теле - на сжатом воздухе.
12. При работе турбопоршневого двигателя на сжатом воздухе, где для сжатия воздуха используется электроэнергия, вырабатываемая экологически чистыми источниками, такими как гидроэлектростанция, ветроэнергетическая станция, солнечная батарея, не загрязняется атмосфера.
Таким образом, турбопоршневой двигатель, содержащий ротор, помещенный в цилиндрический корпус, поршень, закрепленный на роторе и помещенный в уширение цилиндрического корпуса - в цилиндр с клапаном цилиндрической формы, зубчатая шестерня на валу ротора зацеплена зубчатой шестерней одинакового диаметра на валу клапана, и 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, отличается тем, что 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, 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.
Схема одноцилиндрового турбопоршневого двигателя представлена в поперечном разрезе на фиг.1, в продольном разрезе на фиг.2, а схема двухцилиндрового турбопоршневого двигателя представлена в поперечном разрезе на фиг.3, в продольном разрезе на фиг.4,
где: 1 - корпус турбопоршневого двигателя;
2 - ротор цилиндрической формы;
3 - вал ротора;
4 - цилиндр - уширение цилиндрической формы в корпусе турбопоршневого двигателя, торцы цилиндра закрыты и с корпусом двигателя составляют жесткую конструкцию;
5 - поршень, сторона поршня, на которую рабочее тело может оказывать давление, имеет прямоугольную форму;
6 - корпус клапана;
7 - клапан цилиндрической формы;
8 - вырез по окружности на клапане;
9 - вал клапана;
10 - канал для подачи рабочего тела;
11 - зубчатая шестерня;
12 - трубка подачи рабочего тела, соединена с аккумулятором рабочего тела, аккумулятор рабочего тела - баллон, наполненный сжатым воздухом, газом, паром в зависимости от выбора рабочего тела;
13 - кран подачи рабочего тела;
14 - отверстие для выпуска рабочего тела;
15 - маховик.
Одноцилиндровый турбопоршневой двигатель, представленный на фиг.1 и фиг.2, работает следующим образом.
Ротор 2 помещен в цилиндрический корпус 1, торцы цилиндрического корпуса закрыты. В середине цилиндрического корпуса 1, где вращается ротор 2, имеется цилиндрическое уширение - цилиндр 4, где вращается поршень 5, закрепленный на роторе 2.
В верхней части цилиндра 4 имеется отверстие, где помещен клапан 7 на валу 9.
Между вращающимся клапаном 7 и вращающимся ротором 2 имеется минимальный зазор. Крутящий момент от вала 3 ротора на вал 9 клапана передается через зубчатые шестерни 11 одинакового диаметра. Поршень 5 вращает ротор 2 по часовой стрелке, а клапан 7 вращается против часовой стрелки. Клапан 7 имеет вырез 8 по окружности для пропуска поршня 5 под вращающимся клапаном 7 и выпуска рабочего тела после рабочего хода. Когда поршень 5, вращаясь в цилиндре 4, пройдет под вращающимся клапаном 7 и вырез 8 клапана минует вращающийся ротор 2, клапан 7, закрывает открытое пространство между ротором 2 и клапаном 7 как показано на фиг.1. В цилиндре 4 между клапаном 7, стенкой цилиндра 4, торцы которой закрыты, поршнем 5 и ротором 2 создается закрытое пространство. В этот момент отверстие канала 10 подачи рабочего тела на валу 9 совмещается с отверстием трубки 12 подачи рабочего тела, идущей от аккумулятора рабочего тела, и при открытом кране 13 подачи рабочего тела рабочее тело поступает в закрытое пространство цилиндра между клапаном 7 и поршнем 5 через канал 10 подачи рабочего тела. Рабочее тело подается в течение времени на 15° поворота поршня 5 и ротора 2 по часовой стрелке. В закрытом пространстве в цилиндре 4 между клапаном 7 поршнем 5 рабочее тело расширяется и перемещает поршень 5 по окружности цилиндра 4, и поршень 5, закрепленный на роторе 2, вращает ротор 2 с валом 3.
Поршень 5 под давлением рабочего тела в цилиндре 4 за один такт «Рабочий ход» перемещается на угол более 300°, вращая при этом ротор 2 с валом 3 ротора на тот же угол.
В конце рабочего хода, вращаясь против часовой стрелки, вырез по окружности на клапане 7 подходит к ротору 2 в цилиндре 4 и открывает закрытое пространство в цилиндре 4 между клапаном 7 и поршнем 5.
Выпуск рабочего тела после такта «Рабочий ход» происходит за время, в течение которого поршень 5 и ротор 2 поворачиваются на угол 50° по часовой стрелке.
Так далее чередуются такты «Рабочий ход» и «Выпуск» в цилиндре 4 с поршнем 5 и клапаном 7. Для начала движения ротора, поршня и клапана применяют электродвигатель.
Детали, совершающие вращательное движение, уравновешиваются. Герметичность цилиндра 4 достигается точным изготовлением и уплотнением деталей.
Диаграмма фаз газораспределения в цилиндре турбопоршневого двигателя представлена на фиг.5.
Частный случай - двухцилиндровый турбопоршневой двигатель.
На фиг.3 и фиг.4 представлена схема двухцилиндрового турбопоршневого двигателя.
Аккумулятор рабочего тела наполнен сжатым воздухом давлением 200 атм. Через редуктор снижения давления до 10 атм сжатый воздух подается по трубке 12 подачи рабочего тела в цилиндры 4 при открытом кране 13 подачи рабочего тела через клапаны 7 цилиндрической формы. Рабочий ход в одном из цилиндров начинается в тот момент, когда вращающийся клапан 7 закрывает цилиндр 4, и отверстие канала 10 для подачи рабочего тела на валу клапана 7 совмещается с отверстием трубки 12 подачи рабочего тела. Поршни 5 закреплены на роторе по окружности со смещением на 180°. Когда в одном из цилиндров продолжается рабочий ход и поршень под давлением сжатого воздуха поворачивает ротор на угол 180° от начала рабочего хода, то в другом цилиндре начинается рабочий ход.
Поршень 5, закрепленный на роторе 2, поворачивает непосредственно, без промежуточных передач ротор 2 с валом 3 за один такт «Рабочий ход» на угол больше 300°. Таким образом, в любой момент времени при подаче сжатого воздуха в двухцилиндровом турбопоршневом двигателе будет рабочий ход.
Ротор 2 вращается по часовой стрелке, и крутящий момент от вала 3 ротора передается на вал 9 клапана через зубчатые шестерни 11 одинакового диаметра, то клапан 7 будет вращаться против часовой стрелки.
Для начала вращения ротора 2 в момент запуска двигателя в цилиндры 4 подают сжатый воздух через трубку с краном подачи рабочего тела при запуске, и в одном из цилиндров 4 непременно будет идти рабочий ход, что приведет к первоначальному вращению ротора 2 и запуску двигателя при открытом кране 13 подачи рабочего тела.
Технические характеристики двухцилиндрового турбопоршневого двигателя представлены в таблице.
Диаграмма изменения давления в цилиндрах в зависимости от угла поворота вала ротора в двухцилиндровом турбопоршневом двигателе представлена на фиг.6,
где: 16 - показания давления в первом цилиндре. На фиг.4 первый цилиндр показан слева, 17 - показания давления во втором цилиндре.
Таблица технических характеристик двухцилиндрового турбопоршневого двигателя «Пул-кар»
Параметры
Величины
Число цилиндров
2
Диаметр ротора, мм
312
Диаметр цилиндра, мм
360
Диаметр клапана, мм
180
Площадь поршня, мм<sup>2</sup>
2880
Рабочее давление в цилиндре в начале такта «Рабочий ход», атм
10
Число вращения вала ротора за одну минуту
до 1500
Объем аккумулятора сжатого воздуха - баллона, л
50
Количество баллонов
5
Максимальное давление сжатого воздуха в баллоне, атм
200