ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ) И КОРПУС ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ
PISTON ENGINE (VERSIONS) AND PISTON ENGINE HOUSING

Технические решения относятся к области энергетики, они могут быть использованы в силовых установках для производства электроэнергии на подвижных и стационарных электростанциях. Двигатель и его корпус относятся к двигателестроению, к конструкциям поршневых прямоточных двигателей, которые применяются для получения электроэнергии и привода различных механизмов и транспортных средств от сжатой рабочей среды, в качестве которой может быть использован сжатый пар, сжатый воздух или иной сжатый газ. Двигатель относится к устройствам, в которых используются распределители рабочей среды, в частности золотники.
Известны механизмы парораспределения рабочей среды, например, золотниковые, клапанные, крановые, характеризующиеся тем, что они представляют собой отдельные от двигателей узлы. Такие механизмы парораспределения располагаются изолированно от корпуса поршневого двигателя, и элементы привода механизма парораспределения установлены в уплотнениях корпуса механизма. Все это приводит к усложнению конструкции двигателя и потерям мощности двигателя.
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 торцем 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 также представлена паросиловая установка, состоящая из соединенных между собой гидравлически парового котлоагрегата, поршневого двигателя двойного расширения, конденсационной установки и механизма парораспределения двигателя.
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).
Известен поршневой двигатель, содержащий цилиндр с установленным в нем поршнем, каналы подачи рабочей среды в поршневую и штоковую полости цилиндра, каналы сообщены через трубчатый золотник, который установлен параллельно цилиндру (US 2265667 A, 12.01.1954).
В качестве прототипа выбран 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 (US1661558A,06.03.1928).
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, снижению мощности и КПД двигателя. Утечки пара в атмосферу в прототипе образуются через неплотности в приводе золотника.
Техническим результатом данного изобретения является упрощение конструкции двигателя и повышение его КПД.
Технический результат получен первым вариантом поршневого двигателя, содержащим цилиндрический корпус, по меньшей мере, одного цилиндра, установленный в корпусе цилиндра поршень, который шарнирно соединен с шатуном, и золотник, установленный в корпусе золотника, 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.
Технический результат получен вторым вариантом поршневого двигателя, содержащим цилиндрический корпус, по меньшей мере, одного цилиндра, установленный в корпусе цилиндра поршень, который шарнирно соединен с шатуном, и золотник, установленный в корпусе золотника, отличающийся тем, что 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.
Технический результат получен выполнением корпуса поршневого двигателя содержащим цилиндрический корпус, по меньшей мере, одного цилиндра, корпус золотника с отверстиями в его стенке для подвода рабочей среды в золотник, отличающийся тем, что цилиндрический корпус выполнен с верхней торцовой стенкой, в которой выполнено отверстие и в нем закреплен корпус золотника, а в стенке цилиндра выполнены выхлопные отверстия.
Конструкция двигателя поясняется описанием и чертежами, разработанными, в частности, для поршневого двигателя, работающего на сжатом паре. Аналогичная конструкция представляет собой поршневой двигатель, работающий на сжатом воздухе или на другом сжатом газе.
На фиг.1 показан первый вариант поршневого двигателя в продольном разрезе; на фиг.2 - поршневой двигатель (второй вариант соединения поршня с корпусом золотника; на фиг.3 - поршневой двигатель (третий вариант соединения поршня с корпусом золотника); на фиг.4 - схема подачи пара в цилиндр в промежуточном положении поршня; на фиг.5 - схема подачи пара в цилиндр при достижении поршнем верхней мертвой точки; на фиг.6 - схема подачи пара в цилиндр и выхода пара из цилиндра при достижении поршнем нижней мертвой точки. Золотники на фиг.4-6 не показаны.
Поршневой двигатель (фиг.1) содержит цилиндрический корпус 1 (корпус цилиндра, цилиндр) с верхней торцовой стенкой 2, по меньшей мере, одного цилиндра двигателя, при этом торцовая стенка 2 или выполнена заодно с корпусом 1 методом литья, или образована стенкой 2, выполненной в виде крышки, разъемно или неразъемно соединенной герметично с указанным корпусом 1 цилиндра. В корпусе 1 цилиндра установлен поршень 3, шарнирно соединенный с шатуном 4. Последний через подшипник связан с кривошипом или коленчатым валом 5, который соединен с маховиком 6 двигателя. В ином варианте поршень 3 связан с шатуном, который известным образом через подшипник связан с коленчатым валом 5, как это показано на фиг.5.
В верхней стенке 2 цилиндра 1 выполнено отверстие, в котором расположен корпус 7 золотника. Корпус 7 выполнен в виде трубки и он разъемно или неразъемно закреплен в отверстии торцовой стенки 2 цилиндра 1. В корпусе 7 золотника расположен подвижно золотник 8, который также выполнен полым, в виде трубки. Предпочтительно, чтобы корпус золотника и золотник в поперечном сечении имели круглую форму, что не исключает их иные известные формы. В цилиндрической стенке золотника 8 выполнены верхние отверстия 9 и нижние отверстия 10.
В первом варианте исполнения двигателя (фиг.1) золотник 8 жестко прикреплен к фланцу 11, который врезан в торец поршня 3 и жестко соединен с ним, или золотник 8 непосредственно своим торцом закреплен на верхней рабочей поверхности поршня 3 (это соединение не показано). Во втором варианте (фиг.2) соединения золотника 8 с поршнем 3 отверстия 10 золотника 8 расположены параллельно к продольной оси корпуса 7 и золотника 8. В первом и втором вариантах соединения золотника 8 с цилиндрическим корпусом 1 нижние отверстия 10 золотника 8 расположены в полости корпуса 1 цилиндра, при этом в первом варианте отверстия 10 выполнены в боковой стенке золотника 8 поперек продольной оси корпуса 7, а во втором варианте (фиг.2) нижние отверстия 10 расположены параллельно продольной оси корпуса 7 и золотника. В любом из вариантов отверстия 10 расположены между верхней стенкой 2 цилиндрического корпуса 1 и поверхностью поршня 3.
В третьем варианте (фиг.3) золотник 8 соединен с верхней стенкой 2 цилиндрического корпуса 1 так же, как и в первых двух вариантах, однако в третьем варианте золотник 8 прилегает к торцовой поверхности поршня 3 и при этом золотник 8 не соединен с торцом поршня 3. В этом варианте золотник в нерабочем и рабочем положениях лишь взаимодействует своим торцом с верхней рабочей поверхностью поршня 3 так, что может при работе подниматься над рабочей поверхностью поршня. В этом случае между торцом золотника 8 и поверхностью поршня образуется зазор (не показан).
Во втором варианте соединения корпуса 7 золотника с верхней стенкой 2 цилиндрического корпуса 1 корпус 7 жестко соединен с фланцем 11 посредством стойки, при этом фланец 11 жестко соединен с поршнем 3, а золотник 8 жестко соединен с нижней стенкой 12 золотника, которая расположена внутри золотника 8 и жестко соединена с ним.
В каждом из указанных вариантов отверстия 10 золотника расположены так, что они сообщают полость 13 золотника 8 с полостью 14 корпуса 7 золотника и с полостью 15 цилиндрического корпуса 1 (цилиндра). Такое выполнение и крепление корпуса 7 золотника к корпусу 1 цилиндра, или свободное взаимодействие золотника с поршнем обеспечивает возможность избирательного сообщения полости 13 золотника с полостью 14 корпуса 7 золотника, а также сообщение полости 13 через нижние отверстия 10 с полостью 15 цилиндра 1.
Между рабочими поверхностями цилиндрического корпуса 1 и поршнем 3, а также корпусом 7 золотника и золотником 8 установлены уплотнительные кольца 16, расположенные в кольцевых канавках поршня 3 и корпуса 7 золотника. В стенке корпуса 7 золотника выполнены отверстия 17, сообщенные с каналами 18 паропроводов 19, закрепленных на стенке корпуса 7 золотника. Отверстия 17 и каналы 18 паропроводов совмещены и их оси расположены на одной прямой линии. Паропроводы 19 сообщены с источником сжатого пара (не показан). Во всех вариантах исполнения двигателя корпус 7 золотника закрыт крышкой 20, жестко разъемно или неразъемно соединенной герметично с корпусом 7, причем корпус 7 прикреплен к верхней стенке 2 цилиндрического корпуса 1 так, что прикрепленный к поршню золотник 8 имеет возможность свободного перемещения вместе с поршнем относительно корпуса 1 и корпуса 7 золотника. В любом из вариантов золотник 8 свободно перемещается в корпусе 7 золотника.
В цилиндрическом корпусе 1 выполнены нижние выхлопные отверстия 21 для выпуска отработанного пара из цилиндрического корпуса 1. Отверстия 9 и 10 в золотнике 13 расположены так, что в момент впуска пара в полость 15 цилиндра 1 верхние отверстия 9 совпадают с отверстиями 17 в корпусе 7 золотника, служащими для подвода пара из паропроводов 19. Нижние отверстия 10 в золотнике расположены так, что они позволяют выходить пару в полость 15 цилиндра 1 из полости 13 золотника. Золотник 8 установлен подвижно в корпусе 7 так, что его внутренняя поверхность 22 плотно прилегает к внешней поверхности 23 золотника и его уплотнениям 16, не позволяя пару выходить наружу через зазоры между указанными поверхностями золотника и его корпуса.
Во втором варианте (фиг.2) нижний торец золотника 8 не доходит до поршня. В этом случае между торцом золотника 8 и верхней рабочей поверхностью 24 поршня 3 образован зазор, через который пар проходит в полость 15 цилиндрического корпуса 1. В этом варианте корпус 7 золотника жестко неразъемно или жестко разъемно прикреплен к стойке 25, которая своими концами жестко неразъемно или жестко разъемно соединена с фланцем 11 и нижней стенкой 12 золотника. В нижней стенке 12 золотника выполнены нижние отверстия 10 золотника, сообщающие полости 13 и 14 с полостью 15 цилиндра 1.
В третьем варианте (фиг.3) золотник 8 установлен в его корпусе 7 так, что он или свободно прилегает своим нижним торцом 26 к верхней рабочей поверхности 24 поршня 3 от усилия собственного веса и давления пара, или он прилегает к ней исключительно усилием сжатого пара. В третьем варианте золотник 8 имеет крышку, которая закрывает полость 13 золотника сверху.
В качестве отдельного самостоятельного узла двигателя в данном описании представлен корпус поршневого двигателя (фиг.1), содержащий вышеупомянутый цилиндрический корпус 1, по меньшей мере, одного цилиндра двигателя, верхнюю торцовую стенку 2 корпуса 1 и боковую цилиндрическую стенку, которая образует собой цилиндрический корпус 1. В корпусе 1 выполнены выхлопные отверстия 21. Корпус поршневого двигателя также включает в себя корпус 7 золотника с отверстиями 17 в его стенке для подвода рабочей среды в золотник. В верхней стенке цилиндрического корпуса 1 выполнено отверстие, в котором жестко закреплен корпус 7 золотника и при этом продольная ось корпуса 7 золотника совмещена с продольной осью цилиндрического корпуса так, что они расположены на одной оси 27 симметрии корпуса двигателя.
Работает двигатель следующим образом. В период впуска рабочей среды, в частности, пара в полость 15 цилиндра 1 (фиг.4) нижние отверстия 10 золотника 8 (фиг.1) располагаются между поршнем 3 и крышкой 2 цилиндрического корпуса 1. При этом верхние отверстия 9 золотника 8 совмещаются с отверстиями 17 в корпусе 7 золотника, сообщенными с каналами 18 паропроводов 19. После окончания периода впуска пара в полость 15 корпуса 1 и после прохождения поршнем верхней мертвой точки золотник 8 перемещается вместе с поршнем 3 к нижней мертвой точке, отверстия 17 в корпусе 7 золотника перекрываются стенкой золотника 7 и подача пара в полость 13 золотника и поршневую полость 15 прекращается. В этот период происходит расширение пара в золотнике 8 и пар проходит через нижние отверстия 10 золотника в полость 15 корпуса 1, при этом поршень 3 перемещается вниз и производится полезная работа. При достижении нижней мертвой точки поршень открывает нижние выхлопные отверстия 21 корпуса 1 и отработанный пар выходит из полости 15 корпуса 1. Далее, при движении поршня вверх происходит сжатие пара, оставшегося в полости 15 и полости 13 золотника. Поршень 3 движется вверх вместе с золотником 8 до верхней мертвой точки поршня. В этот момент отверстие 17 в корпусе 7 золотника совмещается с отверстием 9 в золотнике, что позволяет пару пройти в полость 13 золотника и, далее, через нижние отверстия 10 - в полость 15 корпуса 1 цилиндра. В этот момент цикл работы двигателя повторяется.
При работе двигателя с третьим вариантом золотника (фиг.3) между крышкой 20 корпуса 7 золотника и крышкой золотника 28 в полости 14 накапливается сжатый пар, который постоянно прижимает нижний торец 26 золотника 8 к поршню 3.
Варианты конструкции двигателя и конструкция корпуса двигателя позволили выполнить корпус золотника заодно с цилиндрическим корпусом поршня двигателя. Данное решение этой задачи позволило существенно упростить конструкцию двигателя и уменьшить потери мощности путем сокращения пар трения взаимодействующих между собой элементов двигателя, что в свою очередь позволяет повысить КПД двигателя.