close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY1910

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(19)
BY (11) 1910
(13)
C1
6
(51) F 02B 53/00, F 04C 2/00
(12)
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ
КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
(54)
ПАРОВОДОРОДНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ТОРОИДАЛЬНЫМ ЦИЛИНДРОМ
(21) Номер заявки: 950761
(22) 10.07.1995
(46) 30.12.1997
(71) Заявитель: Тригер Б. Г. (BY)
(72) Автор: Тригер Б. Г. (BY)
(73) Патентообладатель: Тригер Борис Григорьевич (BY)
(57)
1. Пароводородный двигатель с тороидальным цилиндром, содержащий корпус, вал отбора мощности, ротор,
закрепленный на валу, поршень с днищем в форме клина, соединенный с ротором, тороидальный цилиндр с впускным и выпускным окнами, поворотную стенку, выполненную в виде цилиндрической заслонки с профилированной выемкой и снабженную двухступенчатыми цапфами, расположенными в боковых стенках тороидального цилиндра с возможностью поворота посредством кривошипа, установленного на одной из цапф, и под действием
кулачка, закрепленного на валу отбора мощности двигателя в положение, обеспечивающее разделение
тороидального цилиндра на камеру расширения и полость выпуска, на цилиндрической части поворотной
стенки выполнены проточки, в которых расположены уплотнительные кольца, а
Фиг. 1
BY 1910 C1
плоская часть днища поворотной стенки снабжена тепловыми аккумуляторами, напротив которых в тороидальном цилиндре установлены распылители воды, соединенные через запорный кран с бачком избыточного
давления, причем впускное окно тороидального цилиндра посредством дискового золотника сообщено с парогенератором, а между золотником и парогенератором установлено уплотнительное устройство, включающее подпружиненный барабан, взаимодействующий дном с дисковым золотником и имеющий на цилиндрической части проточки для установки уплотнительных колец, а также закрепленный на трубе парогенератора
раструб, охватывающий цилиндрической поверхностью уплотнительные кольца барабана, выпускное окно
тороидального цилиндра посредством трубопровода сообщено с конденсатором пара, расположенным напротив вентилятора, при этом конденсатор снабжен водосборником и насосом, подключенным через фильтр
к основному водяному баку, сообщенному посредством нагнетательного насоса с водяным бачком избыточного давления, отличающийся тем, что он снабжен теплоизоляционным покрытием, расположенным на
всем протяжении камеры расширения, камерой сгорания водороднокислородной смеси, соединенной с тороидальным цилиндром наклонным каналом, и устройством, содержащим электролизатор воды, емкости для
водорода и кислорода, двухцилиндровый дозатор-компрессор и приборы для зажигания водороднокислородной смеси, причем днище поршня выполнено в виде тупого клина с профилированной выемкой, в которой расположен с возможностью вращения ролик, вписывающийся в продольный профиль выемки, и монорельсы, взаимодействующие с ползунами поворотной стенки, двухступенчатые цапфы которой снабжены
стальными втулками, при этом цапфа меньшего диаметра снабжена втулкой в форме колпака с пазом для
противовеса и эксцентрично расположенным пальцем, взаимодействующим с Х-образным коромыслом, состоящим из двух частей, каждая из которых снабжена противовесом и роликом, установленным с возможностью взаимодействия через толкатель с кулачком, закрепленным с возможностью фиксированного перемещения на кольце, связанным через диск с валом отбора мощности двигателя, при этом коромысло связано с
опорной серьгой, установленной с возможностью качательного движения на корпусе двигателя, и снабжено
возвратной пружиной, кроме того, между двигателем и дисковым золотником установлено кольцо регулировки подачи пара в тороидальный цилиндр, снабженное окном и рычагом поворота кольца, а между конденсатором пара и водяным баком установлен воздухоотделитель.
2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что поворотная стенка выполнена в виде заслонки-кривошипа
из сплава магния и алюминия, армированного стальными пластинами, связанными между собой.
3. Двигатель по пп.1-2, отличающийся тем, что поворотная стенка снабжена выпуклым днищем и трапециодальными уплотнительными кольцами, имеющими в радиальном сечении профиль равнобедренной
трапеции.
4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что толкатель снабжен закрепленной на нем гайками шайбой,
удерживающей толкатель от выхода из направляющей при отсутствии контакта с кольцом, выполненным в
форме овала.
(56)
1. Патент США 2273625, МКИ 123-13, 1942.
2. Патент РФ 2014495, МКИ F04C 2/00, 1994.
Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению.
Известен двигатель с тороидальным цилиндром, составленный из расширительной машины и компрессора, которые по конструкции идентичны и каждый агрегат содержит корпус, общий вал отбора мощности, ротор, закрепленный на валу, поршень, взаимосвязанный с ротором, тороидальный цилиндр, в кольцевом пространстве которого перемещается поршень, взаимосвязанный с ротором, поворотную стенку, периодически
перегораживающую тороидальный цилиндр, при этом поворотная стенка имеет форму диска, выходящего за
пределы тороидального цилиндра, а диск имеет фигурный вырез для прохода поршнем места установки диска и привод поворотной стенки, причем в тороидальном цилиндре расширительной машины установлена
свеча зажигания горючей смеси, а в обоих агрегатах выполнены впускное и выпускное окна и выпускное окно компрессора соединено с впускным окном расширительной машины посредством канала, в котором установлены золотники [1].
Горючая смесь поступает в компрессор, сжимается при перегороженном цилиндре, потом по каналу поступает в расширительную машину тогда, когда ее тороидальный цилиндр перегорожен. Свеча зажигает горючую смесь и расширяющиеся продукты сгорания перемещают поршень до выпускного окна, через которое отработавшие газы выходят в атмосферу.
Недостатком этого двигателя является то, что выступающие за габариты тороидального цилиндра поворотные стенки в виде дисков, увеличивают общий габарит двигателя, а во время работы, вследствие непрерывного движения поршня только в одном направлении постоянно увеличивается объем камеры сгорания
как при заполнении ее горючей смесью, так и при сгорании этой смеси, и за счет этого создаются плохие ус2
BY 1910 C1
ловия для термодинамического процесса, сопровождающиеся повышением токсичности отработавших продуктов сгорания и высоким уровнем аэродинамического шума.
Наиболее близким к изобретению является известный паровой двигатель с тороидальным цилиндром, содержащий корпус, вал отбора мощности, ротор, закрепленный на валу, поршень с днищем в форме клина,
соединенный с ротором, тороидальный цилиндр с впускным и выпускным окнами, поворотную стенку, выполненную по форме цилиндрической заслонки с профилированной выемкой и снабженную двухступенчатыми цапфами, расположенными в боковых стенках тороидального цилиндра с возможностью поворота посредством кривошипа, установленного на одной из цапф, и под действием кулачка, закрепленного на валу
отбора мощности двигателя, в положение, обеспечивающее разделение тороидального цилиндра на камеру
расширения и полость выпуска, на цилиндрической части поворотной стенки выполнены проточки, в которых расположены уплотнительные кольца, а плоская часть днища поворотной стенки снабжена тепловыми
аккумуляторами, напротив которых в тороидальном цилиндре установлены распылители воды, соединенные
через запорный кран с водяным бачком избыточного давления, причем впускное окно тороидального цилиндра посредством дискового золотника сообщено с парогенератором, а между золотником и парогенератором
установлено уплотнительное устройство, включающее подпружиненный барабан, взаимодействующий дном
с дисковым золотником и имеющий на цилиндрической части проточки для установки уплотнительных колец, а также закрепленный на трубе парогенератора раструб, охватывающий цилиндрической поверхностью
уплотнительные кольца барабана, выпускное окно тороидального цилиндра посредством трубопровода сообщено с конденсатором пара, расположенным напротив вентилятора, при этом конденсатор снабжен водосборником и насосом, подключенным через фильтр к основному водяному баку, сообщенному посредством
нагнетательного насоса с водяным бачком избыточного давления, а количество пара, поступающего в цилиндр двигателя, изменяется краном подачи воды, а также реостатом к тепловым аккумуляторам, регулируя
к ним ток [2].
Недостатком этого двигателя является низкий термический коэффициент полезного действия вследствие
больших потерь тепла от камеры расширения в окружающую среду, низкую температуру пара, поступающего в расширительную камеру тороидального цилиндра и относительно малой степени расширения пара в цилиндре. Кроме этого быстроходные детали не уравновешены, отсутствует устройство регулирования количества пара, поступающего в цилиндр двигателя, а из отработавшей воды не удаляется воздух, что снижает
надежность работы двигателя.
В основу изобретения положены задачи: повышение термического коэффициента полезного действия путем снижения тепловых потерь, перегрева пара в цилиндре двигателя с одновременным повышением степени расширения пара в цилиндре двигателя, а также уравновешивание быстроходных узлов, введением устройства изменения подачи пара в цилиндр двигателя и обеспечения надежности работы двигателя.
Указанная задача достигается тем, что двигатель снабжен теплоизоляционным покрытием, расположенным на всем протяжении камеры расширения, камерой сгорания водороднокислородной смеси, соединенной
с тороидальным цилиндром наклонным каналом, и устройством, содержащим электролизатор воды, емкости
для водорода и кислорода, двухцилиндровый дозатор-компрессор и приборы для зажигания водороднокислородной смеси, причем днище поршня выполнено в виде тупого клина с профилированной выемкой, в которой расположен с возможностью вращения ролик, вписывающийся в продольный профиль выемки и монорельсы, взаимодействующие с ползунами поворотной стенки, двухступенчатые цапфы которой снабжены
стальными втулками, при этом цапфа меньшего диаметра снабжена втулкой в форме колпака с пазом для
противовеса и эксцентрично расположенным пальцем, взаимодействующим с Х-образным коромыслом, состоящим из двух частей, каждая из которых снабжена противовесом и роликом, установленным с возможностью взаимодействия через толкатель с кулачком, закрепленным с возможностью фиксированного перемещения на кольце, связанным через диск с валом отбора мощности двигателя, при этом коромысло связано с
опорной серьгой, установленной с возможностью качательного движения на корпусе двигателя, и снабжено
возвратной пружиной, кроме того, между двигателем и дисковым золотником установлено кольцо регулировки подачи пара в тороидальный цилиндр, снабженное окном и рычагом поворота кольца, а между конденсатором пара и водяным баком установлен воздухоотделитель.
Кроме этого, поворотная стенка снабжена выпуклым днищем и трапециодальными уплотнительными
кольцами, имеющими в радиальном сечении профиль равнобедренной трапеции. Поворотная стенка выполнена в виде заслонки-кривошипа из сплава магния и алюминия, армированного стальными пластинами, связанными между собой.
Взаимодействующий с коромыслом толкатель снабжен закрепленной на нем гайками шайбой, удерживающей толкатель от выхода из направляющей при отсутствии контакта с кольцом, выполненным в форме
овала.
Целесообразно, чтобы перегрев пара горячими газами внутри цилиндра производился в разумных пределах с малым расходом водорода.
3
BY 1910 C1
Разумно степень расширения пара в тороидальном цилиндре доводить до пределов, при которых будут
наименьшие затраты на охлаждение отработавшего пара.
На фиг.1 показан продольный разрез пароводородного двигателя с тороидальным цилиндром и приборы,
обеспечивающие его работу; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - вид В на фиг.2; на фиг.4 - вид Б на
фиг.1; на фиг.5 - схема установки для получения водорода из воды путем электролиза; на фиг.6 - схема начальной камеры расширения при конструкции поршня с днищем в форме острого клина; на фиг.7 - схема начальной камеры расширения при конструкции поршня с днищем в форме тупого клина; на фиг.8 - вид Г на
фиг.2; на фиг.9 - выноска 1 на фиг.1; на фиг.10 - сечение Д-Д на фиг.9.
Пароводородный двигатель с тороидальным цилиндром устроен следующим образом.
Корпус двигателя составлен из главного диска с приливом 1 для подшипника вала 2 отбора мощности и с
наружным приливом 3, к которому крепится кольцо 4 и к последнему крепится съемный диск 5, имеющий
внутренний прилив для подшипника вала 2. В наружном приливе 3 главного диска и кольце 4 выполнена полость тороидального цилиндра 6, в котором установлена с возможностью вращения поворотная стенка 7,
выполненная в форме цилиндрической заслонки-кривошипа с профилированной выемкой, снабженная выпуклым днищем и цапфами 8 и на последние напрессованы стальные втулки. При этом на цапфу меньшего
диаметра напрессована втулка в форме колпака и он снабжен эксцентрично расположенным пальцем 9 и пазом для крепления противовеса 10. Изготовлена поворотная стенка 7 из сплава магния и алюминия и армирована стальными пластинами, взаимосвязанными между собой. Ось вращения цапф 8 перекрещивается с
продольной осью тороидального цилиндра, а профилированная выемка удалена от оси вращения цапф на величину, равную половине сечения тороидального цилиндра.
Цапфы 8 опираются на антифрикционные втулки, запрессованные в боковые отверстия тороидального
цилиндра 6. Оси цапф немного не совпадают с осевой линией тороидального цилиндра. Это необходимо для
того, чтобы после перегораживания цилиндра поворотная стенка 7 под давлением пара оставалась в необходимом
положении. Кроме того достигается плотное прилегание поворотной стенки 7 к тороидальному цилиндру. Поворотная стенка 7 снабжена ползунами 11 и 12.
На цилиндрической части поворотной стенки 7, прилегающей к рабочей поверхности цилиндра, выполнены прерывные трапецевидные проточки для уплотнительных колец 13, имеющих сечение равнобокой трапеции. При сборке кольца как будто ввинчиваются в проточки и за счет этого исключается выход колец из
проточек от действия центробежных сил. Днище поворотной стенки 7 с одной стороны снабжено козырьком
14, с обработанной поверхностью которого взаимодействует пластина 15, обеспечивающая надежное уплотнение поворотной стенки 7 с тороидальным цилиндром 6.
Пластина 15 взаимосвязана с хвостовиком, имеющим в сечении прямоугольник, который проходит через
такое же отверстие в направляющей, запрессованной в отверстие корпуса двигателя. На втором конце хвостовика закреплена (например, винтом, гайкой) опора, взаимодействующая с пружиной, второй конец которой упирается в пробку, ввинченную в отверстие корпуса двигателя.
На днище цилиндрической части поворотной стенки 7 закреплены тепловые аккумуляторы 16 и каждый из
них содержит керамические электроизоляторы 17, в которых выполнены проходы для электронагревательного элемента 18 и кожух, охватывающий керамические электроизоляторы так, чтобы не допустить попадание воды на электроизоляторы.
Кожух изготовлен из материала с высоким коэффициентом теплопроводности не подвергающийся окислению и разрушению при контакте с водой.
Пальцы 9 цапф поворотной стенки 7 взаимодействуют с одним плечом Х-образного коромысла 19, состоящего из двух половин и каждая половина снабжена роликом 20, опорной серьгой 21, установленной на
корпусе двигателя с возможностью совершать качательное движение, тарелкой для возвратной пружины 22
и противовесом. Ролик 20 через толкатель взаимодействует с кулачком 23, закрепленном с возможностью
перемещения относительно окружности кольца 24, взаимосвязанного с диском, закрепленном на валу 2 отбора мощности двигателя. Кольцо 24 взаимодействует с толкателем ролика 20 не всегда, а только при подходе кулачка 23 к толкателю, а также при взаимодействии с ним. После прохода кулачка 23 места расположения толкателя последний зависает и удерживается в таком положении шайбой, зажатой между двух гаек,
навинченных на толкатель. При необходимости постоянного контакта толкателя с поверхностью, на которой
расположен кулачок 23 можно применить известный шестеренчатый привод.
Демпфер 25 уменьшает ускорение перемещающегося коромысла19, а ограничитель 26 останавливает его.
Посредством кулачка 23 поворотная стенка 7 может занимать одно из двух положений: горизонтальное
(вдоль касательной к окружности тороидального цилиндра), при котором профилированная поверхность поворотной стенки 7 сливается с поверхностью цилиндра 6, образуя непрерывную цилиндрическую поверхность,
обеспечивающую проход поршню, и вертикальное (вдоль радиуса тора), при котором тороидальный цилиндр
разделяется на две части - камеру 27 расширения пара и полость 28 - выпуска отработавшего пара. Во время
работы двигателя объем камеры 27 изменяется от начального малого объема до конечного наибольшего
объема.
4
BY 1910 C1
В тороидальном цилиндре 6 перемещается поршень 29, взаимосвязанный с ротором 30, имеющем кольцевой цилиндрический выступ, входящий в пространство между наружным приливом 3 главного диска и
кольцом 4.
Посредством соединительного элемента 31 и пальца 32 поршень 29 взаимосвязан с кольцевым выступом
ротора 30, который снабжен противовесом, расположенным противоположно поршню 29, уравновешивая
его.
На цилиндрической части поршня 29 выполнена цилиндрическая поверхность, на которой установлен пакет уплотнительных колец 33. Грузик 34, поворачивающийся на оси от действия центробежных сил, своим
хвостовиком посредством упорной пластины 35 прижимает пакет колец 33 к кольцевому выступу поршня,
не допуская перемещение колец от действия центробежных сил, предотвращая ускоренный износ колец и
цилиндра.
Днище 36 поршня 29 выполнено в форме тупого клина с профилированной выемкой, в которой расположен с возможностью вращения ролик 37, вписывающийся в продольный профиль выемки тупого клина, а
против ролика 37 расположены монорельсы 38 и 39. С этими монорельсами и роликом 37 взаимодействуют
ползуны 11 и 12 поворотной стенки 7 при перегораживании тороидального цилиндра 6. За счет такой конструкции образуется малый начальный объем камеры расширения.
Для сравнения объемов начальной камеры расширения при конструкции поршня с днищем в форме острого клина и тоже в форме тупого клина был принят ряд параметров двигателя: средний радиус тора R=0,75
м; радиус сечения тора r=0,04 м или диаметр d=0,08 м; частота вращения вала двигателя в минуту nвм=2000
об/мин или в секунду nвс=33 об/сек; частоту вращения поворотной стенки в минуту nсм=13000 об/мин или в
секунду nсс=217 об/сек (с такой частотой вращения вала двигателя есть спортивный автомобиль в Японии).
Потом был произведен (в заявке на изобретение) расчет объема начальной камеры расширения. Так при
конструкции поршня с днищем в форме острого клина фиг.6 объем начальной камеры расширения равен
Vос=0,00046 м3, а при конструкции поршня с днищем в форме тупого клина Vтуп=0,000147 м3.
Цилиндрическая часть вращающегося ротора 30 и неподвижная внутренняя цилиндрическая поверхность, выполненная под тороидальным цилиндром 6, уплотнены следующим образом. На боковые поверхности кольцевого выступа ротора 30 наложен или установлен материал, подобный эластомеру. По обе стороны
кольцевого выступа на цилиндрической части ротора 30 выполнены кольцевые проточки для колец 40, которые, взаимодействуя с цилиндрической поверхностью под тороидальным цилиндром, не допускают выход
пара из рабочей полости тороидального цилиндра 6 в атмосферу. Между кольцами и проточками установлено уплотнение из эластичного материала. Эту роль выполняет также уплотнительный материал, подобный
эластомеру, наложенный на боковые части выступа ротора 30, и соприкасающиеся с ним стенки прилива 3
главного диска и кольца 4.
В камере расширения 27, вблизи поворотной стенки 7, установлены распылители 41, дробящие воду на
мелкие капли, выбрасываемые на тепловые аккумуляторы 16 поворотной стенки 7. Вода к распылителям
подводится из закрытого со всех сторон водяного бачка 42 с избыточным давлением. Бачок 42 сообщен с
распылителями 41 через водяной запорный кран 43 и подпружиненный клапан 44, взаимосвязанный с коромыслом 45. Средняя часть коромысла 45 шарнирно взаимосвязана с подпружиненной штангой 46, взаимодействующей через толкатель с кулачком 47, закрепленным с возможностью перемещения на кольце 24. Последнее взаимосвязано с диском, закрепленном на валу 2 двигателя. Кулачок 47 взаимодействует с
толкателем не всегда, а только при подходе к толкателю, а также при взаимодействии с ним. После прохода
кулачка 47 места расположения толкателя последний зависает и удерживается в таком положении шайбой,
зажатой между двух гаек, навинченных на толкателе. При необходимости постоянного контакта толкателя и
поверхности, на которой расположен кулачок 47, можно применить известный шестеренчатый привод.
В водяном бачке 42 создается постоянно избыточное давление нагнетательным насосом 48, забирающим
воду из основного водяного бака 49.
Рядом с тороидальным цилиндром 6 установлен парогенератор 50, но их может быть больше. Однако
объем и давление в них должно соответствовать Правилам Котлонадзора. Из парогенератора 50 по трубе 51
пар поступает в тороидальный цилиндр через окно 52. Для регулирования подачи пара в цилиндр двигателя,
между парораспределительным золотником и цилиндром установлено кольцо 53 изменения подачи пара,
снабженное окном 54 и рычагом 55 для поворота кольца 53.
Для предотвращения утечки пара между тороидальным цилиндром 6 и парогенератором 50 установлено
уплотнительное устройство, содержащее подпружиненный барабан 56, взаимодействующий своим дном с
дисковым золотником 57, закрепленным на валу 2 отбора мощности, и раструб 58 с обработанной внутренней поверхностью, которой он взаимодействует с уплотнительными кольцами 59, установленными в проточках барабана 56. Раструб имеет кронштейн, который закреплен к приливу главного диска с наружным приливом 3. В резьбовую часть раструба 58 ввинчена труба 51 и законтрагаена. В подпружиненном барабане 56
выполнен круглый канал, а в золотнике 57 канал по форме эллипса.
В парогенераторе 50 использован эффект мгновенного испарения воды, выбрасываемой на высоко разогретые тепловые аккумуляторы, по устройству подобные тепловым аккумуляторам 16 поворотных стенок 7, отличающиеся тем, что они выполнены по форме колец, закрепленных внутри парогенератора. При этом вода
выбрасывается мелкими каплями из форсунок 60, взаимосвязанных с заглушенной с одного конца трубки 61,
установленной на оси паровой камеры парогенератора с возможностью вращения с постоянной скоростью, а
5
BY 1910 C1
второй конец этой трубки 61 сообщен через запорный кран 43 с водяным бачком 42 избыточного давления.
Парогенератор снабжен теплоизоляционным устройством.
Вблизи раструба 58 к приливу 3 главного диска корпуса двигателя закреплен кронштейн камеры сгорания
62, сообщенный через наклонный канал с окном 63 с тороидальным цилиндром. Камера 62 снабжена свечой
зажигания, а двигатель снабжен приборами для получения тока высокого напряжения. В камере 62 установлен впускной клапан 64, через который посредством дозатора-компрессора 65 поступает доза водорода из
емкости 66 и доза кислорода из емкости 67. Вал компрессора приводится во вращение от вала 2 отбора
мощности через шестерни 68. Компрессор снабжен впускными клапанами 69 и выпускными клапанами 70. В
обе емкости 65 и 66 водород и кислород поступает из комплекса приборов 71 для электролиза воды.
Тепловые аккумуляторы 16 поворотной стенки 7 и парогенератора 50 питаются током от электрогенератора 72. Ток к тепловым аккумуляторам 16 поворотной стенки 7 поступает по проводам и каналам в поворотной стенке 7, а к парогенератору по отдельным проводам.
Отработанный пар через выпускное окно 73 в цилиндре двигателя по трубе 74 отводится в конденсатор
75, где водяной пар преобразуется в воду, накапливающуюся в водосборнике 76. Конденсатор охлаждается
вентилятором 77. Водяной конденсат из водосборника по трубке 78, очиститель 79, очищающий воду от
масла и механических примесей и воздухоотделитель 80 откачивается насосом 81 в основной водяной бак
49.
Составной корпус двигателя, электрический генератор 72, конденсатор 75 и парогенератор 50 крепятся на раме (не показана) болтами через упругие элементы.
Наружная поверхность тороидального цилиндра, где расположена расширительная камера 27, начиная от поворотной стенки 7 до выпускного окна 73, снабжена теплоизолятором 82, который закрыт кожухом 83.
Для выпуска конденсата из парогенератора 50 предусмотрен краник 84, соединенный трубкой 85 с водосборником 76.
Работает пароводородный двигатель с тороидальным цилиндром следующим образом.
В двигателях внутреннего сгорания для перемещения поршня в цилиндре двигателя используют эффект
взрыва, возникающего от мгновенного сгорания тепловоздушной смеси. В предлагаемом пароводородном
двигателе также для перемещения поршня в тороидальном цилиндре используется эффект взрыва, возникающий от мгновенного испарения мелких капель воды, падающих на высоко разогретую поверхность тепловых аккумуляторов. Кроме этого в тороидальный цилиндр дополнительно вводится сухой насыщенный
пар из отдельного парогенератора, а потом вслед за паром в цилиндр поступают продукты сгорания водороднокислородной смеси и эти продукты сгорания испаряют капли сухого насыщенного пара и вследствие
испарения их повышается давление пара.
Для нормальной работы двигателя необходимо применять дождевую воду без минеральных и механических примесей, а еще лучше - дистиллированную воду. В противном случае накипь, отложившаяся на стенках тепловых аккумуляторов ухудшит работу двигателя.
После выпуска конденсата из парогенератора краником 84, током от батарей аккумуляторов, заряжаемых
электрогенератором 72, разогревают тепловые аккумуляторы парогенератора 50 и несколько позже поворотной стенки 7. Затем в парогенераторе 50 включают механизм вращения трубки 61 с форсунками 60 и открывают запорный кран 43, соединяющий водяной бачок 42 с распылителями подпружиненного клапана 44
и парогенератора.
Когда по показаниям манометра давление в парогенераторе достигнет нормальной величины, включают
зажигание для камеры сгорания 62 и поворачивают ротор 30 в направлении, соответствующем вращению его
при работе двигателя. Если поршень прошел место установки поворотной стенки 7 в этот момент кулачок 23
прекращает взаимодействовать с толкателем, а последний с роликом 20 коромысла 19 и тогда под действием
пружины 22 поворотная стенка 7 повернется в положение, при котором тороидальный цилиндр 6, образуя
между выпуклостью поворотной стенки 7 и днищем 36 поршня 29 объем начальной камеры 27 расширения равный 0,000147м3, а за поршнем полость 28 выпуска отработавшего пара.
При повороте стенки 7 происходит следующее: поворотная стенка 7 ползуном 11 взаимодействует с монорельсом 38 поршня 29, а потом с роликом 37. Затем ползун 12 поворотной стенки 7 взаимодействует с монорельсом 39 поршня 29. Демпфер смягчает удар колец 13 поворотной стенки 7 о вращающийся ротор 30 и
сам ротор способствует этому как бы отталкивая кольца от себя. Демпфер 25 затормаживает быстрое перемещение поворотной стенки 7, а ограничитель 26 останавливает ее перемещение. Создается удар, воспринимаемый ограничителем 26 и пальцем 9 поворотной стенки 7. Такое же существует и в двигателях с кривошипно-шатунным механизмом, где подшипник шатуна ударяется об шатунную шейку коленчатого вала
двигателя в одном из мертвых положений. В последнем случае удар создает масса шатуна и поршня и этот
удар значительно больше, чем удар массы заслонки-кривошипа поворотной стенки 7 и ее приложения.
К концу перегораживания поворотной стенки 7 тороидального цилиндра 6 второй кулачок 47 на кольце 24
взаимодействует через толкатель со штангой 46, а последняя с коромыслом 45, которое открывает на короткое время клапан 44, через который из водяного бачка 42, запорный кран 43 вода поступает к распылителям,
откуда выбрасывается мелкими каплями на тепловые аккумуляторы 16 поворотной стенки 7. Потом подача
воды к клапану 44 прекращается, но в это время золотник 57 сообщает на короткий промежуток времени
впускное окно 52 тороидального цилиндра 6 с парогенератором 50, из которого поступает пар и вслед за ним
через окно 63 из камеры сгорания 62 в тороидальный цилиндр поступают продукты сгорания водороднокис6
BY 1910 C1
лородной смеси с температурой 2000°С. Пар и продукты сгорания, поступая по наклонным каналам, образуют винтовое движение, что способствует хорошему перемешиванию пара и продуктов сгорания. Возникает объемное кипение, при котором частички пара, будучи окруженными горячими продуктами сгорания, с
температурой более 2000°С, быстро испаряются. В сравнении с поверхностным кипением при объемном кипении образуется больше центров кипения с большим количеством пузырьков пара, которое будет тем
больше, чем больше центров парообразования, чем больше перегрет пограничный слой, чем больше тепловая нагрузка нагрева соприкасающихся частиц пара и продуктов сгорания. Все это позволяет утверждать,
что за счет высокой температуры (более 2000°С) продуктов сгорания температура пара повысится с 260°С
до 310°С, а давление пара, согласно таблиц М.П. Вукаловича повысится с 44 бар до 90 бар. Это нетрудно
подтвердить следующими расчетами.
Смешание сухого насыщенного пара, например, 0,6 объема начальной камеры расширения, т.е.
V1=0,000147.0,6=0,0000882 м3 с температурой Т1=260+273=533°К и давлением р1=44 бар, с продуктами сгорания смеси водорода и кислорода, например, 0,4 объема начальной камеры расширения
V2=0,000147.0,4=0,0000588 м3 с температурой Т2=2000+273=2273°К и давлением р2=44 бар. При этом продукты смешания одинаковой атомности, поэтому температуру смешания Тс можно определить, приняв, например, из учебника для ВУЗов В.В. Нащокин, Техническая термодинамика и теплопередача, изд. «Высшая
школа», М., 1969 г, с.288, уравнение 14-8.
44Ÿ
0,0000882 + 44Ÿ
0,0000588
= 719° K èëè 446° Ñ
44Ÿ
0,0000882 44Ÿ
0,0000588
ð1V 1 p2V 2
+
+
533
2273
T1
T2
Учитывая инертность испарения воды, принимаем температуру Тс не 446°С, а 304-310°С. Тогда по таблицам М.П. Вукаловича давление пара будет равно 90 бар.
Расширяющийся пар толкает поршень 29 до выпускных окон 73 и его давление снижается до давления,
близкого к атмосферному. Это возможно лишь потому, что поршень перемещается только в одном направлении (по кругу), а сила давления пара на поршень 29 действует на большом плече, равному среднему диаметру кольца тороидального цилиндра, поэтому даже при малом удельном давлении пара можно получить
довольно большой крутящий момент, а значит и большую мощность.
Отработавший пар из полости 28 выпуска выходит под собственным давлением, а потом под действием
тыльной стороны поршня 29 и по трубе 74 в конденсатор 75 пара, где по трубкам конденсатора растекается
на отдельные струи, охлаждаемые вентилятором 77, и преобразуется в воду, накапливающуюся в водосборнике 76, откуда насосом 81 откачивается в основной водяной бак 49, а из него нагнетательным насосом 48
нагнетается в водяной бачок 42, из которого поступает вновь к распылителям 41, для образования пара в тороидальном цилиндре и в парогенераторе 50.
Для смазки цапф поворотной стенки 7 масло подводится по трубкам (не показаны), а для смазки поршневых колец масло подводится через осевое сверление в вале 2 отбора мощности, а потом по трубкам или
сверлениям в роторе и поршне (не показано).
Большое и постоянное по величине плечо действия силы давления пара на поршень позволяет получить
большой по величине крутящий момент, следовательно, и большую мощность, что подтверждается приведенным ниже тепловым расчетом предложенного двигателя.
Используя ранее принятые расчетные данные: средний радиус кольца тора R=0,75 м; радиус сечения тора
r=0,04 м; а его диаметр d=0,08 м; частоту вращения вала двигателя n=2000 об/мин; и его угловую скорость
2π n 2Ÿ
3,14Ÿ
2000
ω=
=
= 209 1/с определено в зависимости от угла поворота ϕ вала двигателя изменение
60
60
ð1V 1 + p2V 2
Òñ =
=
2 ⋅π 2 ⋅ r 2 ⋅ R ⋅ϕ
Vкр объема расширения по формуле Vкр=
от начального объема 0,000147 м3 до конца рас360
ширения. Потом в зависимости от изменения объема Vкр определено изменение давления рр в камере расши1,3
рения по формуле рр.V =const (см. В.И. Гагарин, С.В. Руднев, Тепловые двигатели, М., 1949 г. с.194).
к .р
Все рассчитанные величины сведены в таблицу.
ϕ° поворота вала
0
3
6
9
12
Vкр м
0,000147
9000000
0,000197
6191000
0,000394
2515000
0,000591
1485000
0,000789
1021000
15
30
45
60
75
0,000986
0,001972
0,002948
0,003930
0,004934
_ рр
3
н
м2
_ ϕ° поворота вала
Vк.р м3
7
BY 1910 C1
764000
310600
284200
126000
112900
ϕ° поворота вала
90
105
120
135
150
Vк.р м
0,005916
77400
0,006902
60890
0,00789
51180
0,008874
43920
0,009854
38290
ϕ° поворота вала
165
180
195
210
225
Vкр м
0,010845
33830
0,011831
30220
0,012817
27250
0,13805
24740
0,014789
23130
ϕ° поворота вала
240
255
270
285
300
Vк.р м
0,015775
20780
0,016161
19290
0,017747
17830
0,018733
16630
0,019719
15450
_ рр
рр
_ рр
рр
н
м2
3
н
м2
3
н
м2
н
м2
3
Просуммировав полученные величины pp давления всех 25 позиций и разделив полученную сумму на число
22300500
h
позиций получим pi - среднее индикаторное давление pi =
= 892000 2
25
m
Из технической литературы известно, что среднее эффективное ре давление равно ре = рi.η мех
где η мех - механический коэффициент полезного действия, равный 0,8-0,9. Принимаем η мех = 0,85
h
тогда ре = рi η мех = 892000 . 0,85 = 758200
2
m
Определив площадь днища поршня по формуле Fп =
πd 2 314
, − 0,08 2
=
= 0,005м 2 , определим кру4
4
тящий момент двигателя Ме = ре . Fп . R1 = 758200 . 0,005 . 0,75 = 2843Н. м и мощность двигателя Nе =
M eŸ
ω 2843Ÿ
200
=
= 594 kB Ò .
1000
1000
Часть мощности затрачивается для получения пара, а также для электролиза воды.
Мощность, затрачиваемую для получения пара, определим для параметров: давление - 44 бара, температура
пара 260°С с объемом равным 0,6 объема начальной камеры расширения
0,000147.0,6 = 0,0000882 м3.
Для работы двигателя потребуется пара за один оборот 0,0000882м3, за 2000 об/мин 0,0000882 . 2000 =
0,1764 м3 , для работы один час 0,1764 . 60 = 10,58 м3/час. Обозначим этот объем Vч - часовой расход пара.
Потом из таблиц М.П. Вукаловича выпишем необходимые данные для пара с параметрами: давление пара 44
бара, температура 260°С, а именно V’’ - удельный объем сухого насыщенного пара равный 0,04506 м3/кг и ?
- теплота парообразования, равная 1681,7 кдж/кг. Тогда секундный расход пара будет равен
V
10,58
êã
=
= 0,0653
Gc =
, а мощность будет равна
V ′′ Ÿ3600 0,04506 Ÿ3600
ñ
N = Q = Gc . ν = 0,0653 . 1681,7 = 109,92
êÄæ
ñ
=109,92 кВт, т.е. для получения 10,58 м3/час пара необхо-
дима мощность 109,92 кВт.
В журнале «Автомобильная промышленность США», №1 1993 года на странице 7 помещена «Схема
опытной установки для получения водорода из воды путем электролиза» с краткими пояснениями. Там же
есть небольшая заметка «Водородное топливо» и в ней оговорено, что фирма BMW представила опытный
образец на базе переоснащенного шестицилиндрового двигателя с четырьмя клапанами на цилиндр с рабочим объемом 2,5 л. Можно догадываться , что схема опытной установки для получения водорода из воды
путем электролиза вероятно, пригодная для опытного автомобиля BMW. Если это так, то для двигателя с рабочим объемом 2,5 л необходимо сжатого водорода примерно одна десятая часть рабочего объема двигателя, т.е. 0,25 л. И, полагая, что объем начальной камеры предлагаемого двигателя вполне сравним с объемом
камеры сгорания одного цилиндра двигателя автомобиля BMW можно полагать, что установка мощностью
110 кВт для электролиза воды будет достаточна для предлагаемого двигателя, поэтому для приготовления пара
8
BY 1910 C1
и электролиза воды необходимо 109,98 +110 = 219,92 кВт или 220 кВт. Тогда свободная мощность для питания
других потребителей будет равна, примерно 350 кВт.
Следует заметить, что для уравновешенности двигателя необходимо строить многоторовые двигатели,
т.е. двух и более тороидальные двигатели.
Термический коэффициент полезного действия ?т можно определить по формуле ηт=1-
1
β n−1
, где n=1,3, а β -
степень расширения пара, т.е. отношение Vп= 0,019719 м3 - полного объема расширения пара (см. таблицу в
0,019719
= 134, а
конце), к Vн= 0,000147 м3 - начального объема расширения (см. таблицу в начале), тогда =
0,000147
термический кпд β= 1-
1
=0,975
0,3
134
Кроме получения большого крутящего момента и большой мощности, а также высокого термического
коэффициента полезного действия за счет глубокого расширения пара резко снижается аэродинамический
шум двигателя, что важно для создания благополучной окружающей среды. Кроме этого замкнутый цикл от
начала получения пара с помощью электрической энергии до превращения отработавшего пара в воду, которая вновь поступает в двигатель в виде пара, значительно улучшает окружающую нас экологическую среду.
Фиг. 2
9
BY 1910 C1
10
BY 1910 C1
Cоставитель А.К. Карачун
Редактор В.Н. Позняк
Корректор Т.Н. Никитина
Заказ 9686
Тираж 20 экз.
Государственный патентный комитет Республики Беларусь.
220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.
11
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
274 Кб
Теги
патент, by1910
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа