ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ МАШИНА
ENERGY MACHINE

Энергетическая машина
Изобретение относится к машиностроению, в частности к энергетическим машинам, а именно к конструкциям воздушных или газовых поршневых компрессоров, которые могут быть использованы для получения электроэнергии.
Известны воздушные, газовые компрессоры и другие поршневые машины объемного вытеснения газов для повышения давления от нескольких атмосфер до 150 атм и более. (Трактор Т-150К. Под ред. Б.П.Кашубы и И.А.Коваля. - М.: Колос, 1976, с.158-161, рис.109 и Основы теплотехники: Учебное пособие. В.С.Охотин и др. - М.: Высшая школа, 1984, с.169.)
Недостаток известных устройств состоит в использовании двигателей внутреннего сгорания, загрязняющих выхлопными газами окружающую среду;
Известен двигатель-компрессор (патент РФ №2128781, МПК6 F02B 71/06, 1999 г.), содержащий соосно размещенные в едином блоке один цилиндр поршневого компрессора и два цилиндра двигателя внутреннего сгорания, работающих поочередно, каждый из которых содержит форсунку, свечу зажигания и свободно движущийся в цилиндрической полости поршень, связанный с поршнем компрессора, а также впускные и выпускные патрубки. Поршневой компрессор размещен между двигателями внутреннего сгорания и отделен от них с двух сторон разделительными перегородками.
Недостатком конструкции является большая металлоемкость, быстрый выход из строя клапанов и использование двигателей внутреннего сгорания, загрязняющих выхлопными газами окружающую среду.
Наиболее близкой по выполнению является энергетическая машина -поршневой компрессор (патент на изобретение РФ №2247250, МПК 7 F02B 33/00, 2005 г.). Поршневой компрессор снабжен создающим избыточное давление нагнетателем. Газ от нагнетателя подведен к впускным клапанам цилиндра и к дополнительным нижним впускным окнам. Последние размещены в нижней части цилиндра над поршнем при его положении в нижней мертвой точке. Поршень приводится в движение приводом, работающим от электродвигателя или двигателя внутреннего сгорания.
Использование двигателя внутреннего сгорания приводит к загрязнению окружающей среды, а использование электропривода приводит к большим затратам потребления электроэнергии. Машина не относится к машинам, работающих на возобновляемых источниках энергии для получения электроэнергии.
Техническим результатом изобретения является отсутствие загрязнения окружающей среды и отказ от использования электроэнергии и энергии двигателя внутреннего сгорания для работы энергетической машины.
Определяющим фактором экологической чистоты видов возобновляемой энергии являются эксплуатационные затраты по использованию нетрадиционных источников, не содержащих топливной составляющей, так как энергия этих источников должна быть экологически «бесплатной» и не приводящей к загрязнению окружающей среды.
Технический результат достигается тем, что энергетическая машина включает крышку и корпус с заборными окнами для поступления газа и отверстиями для выхода сжатого газа, разделенный на поршневое объемное пространство с размещенным в нем выполненным с обратными клапанами впуска газа поршнем, приводимым в движение, по крайней мере, двумя рычагами, закрепленными с одной стороны на поршне через элементы передачи движения усилия, а с другой стороны на узле крепления, при этом или дно корпуса или крышка имеют сквозные отверстия для контакта с элементами передачи усилия на рычаг через короткие и длинные плечи рычагов, а также газозаборник с включенным в него в виде сужающейся полости конфузором, имеющим вход в надпоршневое объемное пространство, и в виде расширяющейся полости диффузором, имеющим выход в подпоршневое объемное пространство.
Заборные окна предпочтительно расположены на торцевых стенках корпуса.
Газозаборник предпочтительно расположен в торцевой части корпуса. В качестве газа предпочтительно использование воздуха. Поршень для его вертикального хода может содержать отверстия для направляющих шпилек с нанизанными на них пружинами обратного хода поршня.
Отличие предлагаемой энергетической машины-компрессора от наиболее близкого аналога состоит в том, что поршень приводится в действие рычагами через толкатели, на которые воздействует сила веса движущегося объекта, в то время как в известном случае поршень приводится в действие приводом, на который воздействует двигатель внутреннего сгорания или электродвигатель.
На фиг.1 представлен продольный разрез энергетической машины в момент сжатия, где 1 - корпус, 2 - крышка, 3 - заборные окна, 4 - отверстия для выхода сжатого газа, 5 - газозаборник, 6 - конфузор, 7 - вход конфузора в надпоршневое пространство, 8 - дифузор, 9 - выход дифузора в подпоршневое пространство, 10 - надпоршневое объемное пространство, 11 - подпоршневое объемное пространство, 12 - поршень, 13 - направляющая шпилька, 14 - соединительный с трубопроводом элемент, 15 - обратный клапан впуска газа, 16 - обратный клапан выпуска газа, 17 - короткое плечо рычага, 18 - точка опоры узла крепления рычага, 19 длинное плечо рычага, 20 - элемент передачи усилия толкателя (подшипник), 21 - толкатель, 22 - пружина обратного хода поршня, 23 - атмосферный газ (например, воздух), 24 - усилие сжатия.
Устройство работает следующим образом.
При воздействии усилия (24) на толкатель (21) через сквозные отверстия и элементы передачи усилия (20) посредством коротких (17) и длинных (19) плечей рычагов, конструкционно зафиксированных в точках опор узлов крепления рычагов (18), усилия сжатия передаются поршню (12), двигающемуся в надпоршневом объемном пространстве (10) по направляющим шпилькам (13), которые монтажно стягивают крышку (2) и корпус (1) и на которые нанизаны пружины возвратного хода (22) поршня, в котором поршень (12) сжимает пружины (22) и газ, например воздух (23), и в подпоршневое разреженное пространство (11) начинает поступать через выходы диффузоров (9) объем новой порции газа, засасываемого заборными окнами (3), а сжатый газ в надпоршневом объемном пространстве (10) выдавливается в трубопровод через вход конфузоров (7) и обратные клапаны выпуска (16), находящиеся в соединительном элементе (14) с трубопроводом, и при достижении поршнем (12) верхней мертвой точки одновременно с моментом снятия с толкателей (21) усилий сжатия срабатывает потенциальная энергия сжатых пружин (22), обеспечивающая обратный ход поршня (12), при котором обратные клапаны выпуска (16) сжатого горячего газа, находящиеся в соединительном элементе (14), закрываются от давления в трубопроводе и разрежения в надпоршневом пространстве (10), а обратные клапаны впуска (15) поршня (12) открываются под давлением газа, поступающего в подпоршневое объемное пространство (11), и, таким образом, при достижении поршнем нижней мертвой точки происходит полное заполнение надпоршневого пространства (10) газом через обратные клапана впуска (15) и выравнивание давлений, что приводит к самопроизвольному закрытию обратных клапанов впуска (15). Цикл повторяется при очередном усилии на толкатель (21).
Ниже приведен пример осуществления изобретения.
Пример 1.
Максимальная эффективность работы энергетической машины прямо зависит от большого веса движущегося объекта и рационального использования в этом направлении железнодорожного транспорта с его частыми участками торможения.
Энергетические машины с габаритами 2500×290×290 мм параллельно вставляют между шпалами железной дороги, через соединительные элементы соединяют между собой трубопроводом, который на выходе соединен с ресивером. Ресивер служит для поглощения пульсаций и накопителем сжатого газа, приспосабливает исходящий поток сжатого газа из ресивера на турбины воспроизводящих электричество. Воздействие силы веса движущегося объекта осуществляется через реборды колес на толкатели энергетической машины. В 100 м железнодорожного полотна трансформировано 200 энергетических машин. При прохождении одного грузового состава, состоящего из 50 вагонов со скоростью 36 км/ч (10 м/сек), получено в ресивере 5200 куб. м сжатого до 100 атм (~10 МПа) и температурой свыше 100 градусов горячего воздуха, при этом турбиной, воспроизводящей электричество, выработано 18,6 кВт за 10 секунд или 6696 кВт/ч (~6,7 МВт/ч) возобновляемой электроэнергии, которая может через контактную сеть быть передана поездам-электровозам либо в общую энергосистему через тяговые подстанции.
Таким образом, энергетическая машина способна преобразовать энергию силы тяжести и силы инерции движения объекта в тепловую и потенциальную энергии сжатого газа (то есть энергетическая машина работает без использования электроэнергии и энергии двигателя внутреннего сгорания) и не загрязняет окружающею среду.