UA151284U - Машина об'ємної дії косіюка - Google Patents

Abstract

Машина об'ємної дії має модульну структуру, містить двигун або пристрій відбору потужності, наприклад електричний генератор, щонайменше один модуль об'ємної дії із взаємодіючими органами та модуль, оснащений оборотним перетворювачем напрямку руху на основі сферичного кривошипно-повзунного механізму, у якому геометричні осі усіх установлених з можливістю обертання деталей перетинаються в одній "центральній" точці. В корпусі перетворювача руху в двох протилежних співвісних підшипниках встановлено вал, який оснащений маховиком і пристроєм зв'язку із системою керування машини, рознімний кривошип, що жорстко зв'язаний з валом у його середній частині і оснащений посадочним місцем для внутрішнього кільця підшипника, площина симетрії якого нахилена до геометричної осі вала під кутом, що перевищує 0°, але менший 90°, і містить згадану "центральну" точку. Повзун, що виконаний на основі зовнішнього кільця підшипника, коливальну кінематичну ланку, виконану у вигляді обойми, що з безперервним зазором вільно охоплює повзун, має щонайменше один стрижневий проміжний елемент кінематичного зв'язку з ним і жорстко зв'язану з двома, установленими на підшипниках, додатковими співвісними валами, які виступають за межі корпусу з протилежних сторін, причому один із них механічно пов'язаний щонайменше з одним модулем об'ємної дії і здатний приводити його витісняючий орган при обертанні вала з кривошипом у прямолінійний зворотно-поступальний або зворотно-обертальний рух і навпаки.

Description

Корисна модель належить до галузі машинобудування, зокрема до конструкції машин об'ємної дії, наприклад насосів, компресорів, пневмо- і гідродвигунів, двигунів внутрішнього і зовнішнього згоряння.

У техніці широко використовують машини об'ємної дії, які містять щонайменше одну циліндричну робочу камеру, витісняючий орган, наприклад поршень (плунжер) або діафрагму (мембрану), виконаний з можливістю прямолінійного зворотно-поступального руху, і перетворювач напрямку руху, здатний сприймати прямолінійний зворотно-поступальний рух з перетворенням його в обертання вала і навпаки.

Відомо, що перетворювачами напрямку руху для поршневих машини об'ємної дії зазвичай служать кривошипно-шатунні механізми (КШМ), які перетворюють зворотно-поступальний рух поршня в обертальний рух (наприклад в обертальний рух колінчастого вала в двигунах внутрішнього згоряння) і навпаки. Практика показала, що ці механізми мають суттєві недоліки, подолати які неможливо в принципі. Мається на увазі принципова неможливість врівноваження шатуна і створення шатуном радіальної складової сили інерції, яка, до того ж, постійно змінює свій напрямок на протилежний. Ці недоліки негативно впливають на динамічні характеристики і знижують ресурс роботи КШМ |21.

Відомий кривошипно-повзунний механізм коливальної шайби. Вона забезпечена пальцем, який ковзає по нерухомій дуговій напрямній. При обертанні кривошипа шайба здійснює коливальний рух відносно центра дугової напрямної (11.

Недоліком пристрою є те, що він не дозволяє перетворити обертальний рух у прямолінійний зворотно-поступальний та навпаки.

Найближчим аналогом є машина об'ємного витіснення на основі перетворювача напрямку руху у вигляді сферичного механізму, в якому геометричні осі обертання всіх ланок перетинаються в одній центральній точці і яка має порожнистий обмежений поверхнею тіла обертання корпус з отворами в стінках для впуску-випуску текучого середовища через клапанний розподільний механізм, вал, встановлений в корпусі з можливістю обертання, пов'язане з валом сфероподібне водило з кільцевих пазом, площина симетрії якого нахилена до осі обертання вала і проходить через точку перерізу згаданих вище осей, лопать, встановлену в корпусі навколо водила з можливістю коливального переміщення, і щонайменше один проміжний елемент зачеплення, кінематично пов'язаний з зазначеним пазом водила і з зазначеною лопаттю, здатний при обертанні вала приводити лопать в коливальний рух, або при коливальному русі лопаті обертати вал. Водило жорстко пов'язане з валом, а лопать виконана з центральним отвором, яка щільно охоплює водило і додатково кінематично пов'язана з корпусом двома співвісними осями, геометрична вісь яких перетинає геометричну вісь вала в згаданій центральній точці, при цьому в порожнині корпусу розміщена жорстка перегородка, площина симетрії якої включає геометричні осі вала і піввісь і яка має виїмки для розміщення водила і півосей |ЗІ.

Недоліками найближчого аналога є те, що він може ефективно працювати лише в таких машинах об'ємного витіснення, в яких кінематичні ланки перетворювача напрямку руху постійно занурені в рідке текуче середовище або рідке робоче тіло як в мастило, що знижує втрати енергії на тертя і знос. Однак навіть в таких машинах не вдається надійно ущільнити ні зону контакту водила і лопаті, ні зазор між її периферійної частиною і стінкою корпусу. Тому неминуче перетікання рідини з "надлопатевої" порожнини в "підлопатеву" порожнину при кожному хитанні і швидке зниження питомої потужності і коефіцієнта корисної дії машини в міру зносу ущільнень. Крім цього, описаний механізм практично неможливо вмонтувати в поршневі (плунжерні) або діафрагмові (мембранні) оборотні машини об'ємного витіснення.

В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення конструкції машини об'ємного витіснення, перетворювач руху якої надійно і з високим коефіцієнтом корисної дії перетворював би обертальний рух у коливальний чи навпаки, сприяв би створенню машин об'ємної дії з поліпшеними експлуатаційними якостями, зручною компоновкою, кращими властивостями щодо вібрації, врівноваженості, частотного спектра і розширеними функціональними можливостями.

Поставлена задача вирішується тим, що машина об'ємної дії, яка містить систему керування, щонайменше одну робочу камеру об'ємної дії з каналами подачі через клапанно- розподільну систему рідкого або газоподібного робочого тіла, витісняючий орган і перетворювач напрямку руху, згідно з корисною моделлю, має модульну структуру, містить двигун або пристрій відбору потужності, наприклад електричний генератор, щонайменше один модуль об'ємної дії із взаємодіючими органами та модуль, оснащений оборотним перетворювачем напрямку руху на основі сферичного кривошипно-повзунного механізму, у якому геометричні осі усіх установлених з можливістю обертання деталей перетинаються в одній "центральній" точці і бо який має корпус, вал, що встановлений у корпусі в двох протилежних співвісних підшипниках,

оснащений маховиком і пристроєм зв'язку із системою керування машини, рознімний кривошип, що жорстко зв'язаний з валом у його середній частині і оснащений посадочним місцем для внутрішнього кільця підшипника, площина симетрії якого нахилена до геометричної осі вала під кутом, що перевищує 0", але менший 90", і містить у собі згадану "центральну" точку, повзун, що виконаний на основі зовнішнього кільця підшипника, коливальну кінематичну ланку, виконану у вигляді обойми, що з безперервним зазором вільно охоплює повзун, має щонайменше один стрижневий проміжний елемент кінематичного зв'язку з ним і жорстко зв'язану з двома, установленими на підшипниках, додатковими співвісними валами, які виступають за межі корпусу з протилежних сторін, причому один із них механічно пов'язаний щонайменше з одним модулем об'ємної дії і здатний приводити його витісняючий орган при обертанні вала з кривошипом у прямолінійний зворотно-поступальний або зворотно- обертальний рух і навпаки.

При оснащенні запропонованої машини об'ємної дії додатковими взаємодіючими органами, зокрема стандартними систем запалювання, живлення, змащення і охолодження, корисна модель, що пропонується, здатна працювати як двигуни внутрішнього згоряння на рідкому і/або газоподібному паливі в режимі внутрішнього і/або зовнішнього сумішоутворення.

При додатковому оснащенні, машина об'ємної дії суттєво розширює свої функціональні можливості, зокрема, як двигун зовнішнього згоряння. Парогенератор такого пристрою виконують у вигляді об'ємної порожнини. У ньому відсутня поверхня кипіння води, яка визначає габарити пристрою. Вода під тиском впорскується у внутрішню порожнину, температура стінок якої підтримується високотемпературним факелом, сформованим спеціальним пальниковим пристроєм, оснащеним модулями підготовки і подачі палива, гарячого повітря і перегрітої водяної пари в зону горіння. Що ж стосується теплопровідності металу, з якого виготовляється порожнина парогенератора, то вона збільшується з підвищенням температури. Тому через одну і ту ж поверхню можна передати більшу потужність теплової енергії, що знову ж таки веде до зменшення габаритів пристрою.

Відомо, що вуглець, що міститься в розпечених частинках сажі при температурі 1000- 1200 7С забирає атомарний кисень у води, перетворюючись при цьому з твердого тіла в газоподібний за формулою: НгОжС-СО Не». Таким чином, область горіння палива, що містить

Зо вуглець, який виробляє велику кількість частинок сажі, насичується киснем, віднятим у води і перетворюються в окис вуглецю СО. Крім того, звільняється молекулярний водень. Теплота згоряння водню в три рази перевищує теплоту згоряння вихідного палива, а наявність в зоні горіння перегрітої пари прискорює горіння окису вуглецю. Монооксид вуглецю (чадний газ), що утворився в топці, займається при температурі в 700 "С ї горить з температурою, що досягає 2100 76.

Всі перераховані вище фактори дозволяють спалювати різні види палива (тверді, рідкі, газоподібні) з дуже гарною якістю, що підтверджується експериментами. А головне, при горінні не утворюється сажа та інші шкідливі викиди - всі тверді вуглеводневі частинки газифікуються з утворенням чадного газу і водню. Ті, в свою чергу, згораючи, утворюють нешкідливі воду і вуглекислий газ. В результаті викиди при спалюванні з використанням перегрітої пари не тільки відповідають діючим екологічним нормативам, а й мають в рази нижчі в порівнянні з гранично допустимими концентраціями значення. Такі двигуни зовнішнього згоряння мають суттєві переваги перед ДВЗ, а саме: - суттєве зменшення шкідливих викидів в атмосферу і економічне використання пального; - високий коефіцієнт корисної дії; - відсутність вібрацій; - ідеальна тягова характеристика і низька вартість; - можливість роботи на будь-якому паливі, відходах нафтопереробки і харчової промисловості.

Функціональна можливість запропонованої машини об'ємної дії працювати за замкненим термодинамічним циклом Стірлінга, досягається шляхом її оснащення додатковими взаємодіючими органами, зокрема нагрівачем, рекуператором і холодильником робочого тіла, які з'єднані термоіїзольованими каналами. Робочі камери машини заповнюється робочим тілом (газом) під початковим надлишковим тиском. У робочих камерах одночасно здійснюються такти термодинамічного циклу Стірлінга: впуск, стиснення, підведення тепла, робочий хід, випуск, відведення тепла.

Модульна структура машини дозволяє використовувати лопатеві, аксіально-рухомі, наприклад зубчасто-рейкові або радіально-рухомі (тангенціальні), наприклад шарнірно-важільні, механізми для забезпечення надійного і ефективного кінематичного зв'язку з поршневими бо (плунжерними) або діафрагмовими (мембранними) витісняючими органами машин об'ємної дії,

наприклад насосів, компресорів, пневмо- і гідродвигунів, двигунів внутрішнього і зовнішнього згоряння.

Порівняльний аналіз запропонованої корисної моделі дозволяє зробити висновок, що машина об'ємної дії має суттєві відмінності від найближчого аналогу. Оскільки перетворення напрямку руху відбувається поза корпусом камери об'ємної дії, тому перетворювач руху, виконаний як окремий модуль, легко поєднується з різними конструкціями модулів об'ємної дії.

Це істотно спрощує їх виготовлення, технічне обслуговування і ремонт. Крім цього, об'єми робочих камер можуть бути використані цілком. Тому, згідно з корисною моделлю, можна виготовляти високопродуктивні і надійні машини об'ємного витіснення.

Унікальність сферичного кривошипно-повзунного механізму оборотного перетворювача напрямку руху полягає в тому, що осі симетрії всіх деталей, які обертаються і рухаються, перетинаються лише в одній "центральній" точці, при цьому немає потреби у балансуванні інерційних мас, відсутня вібрація, досягаються високі характеристики з надійності та ресурсу роботи. В перетворювачі руху кривошип кінематично може бути пов'язаний з коливальною кінематичною ланкою не тільки через підшипник ковзання, а й підшипники кочення, зовнішнє кільце яких служить повзуном.

Проведені дослідження оборотного перетворювача напрямку руху на основі сферичного кривошипно-повзунного механізму показали, що кутові прискорення робочого органу (обойми) в крайніх положеннях малі. Така властивість є надзвичайно позитивною. Обойма плавно підходить до упора і різко розганяється в місцях, близьких до середнього положення обойми, де виникає максимальна кутова швидкість. Такий режим коливання робочого органу (обойми) не вимагає установки гальм (демпферів). Гому оборотний перетворювач напрямку руху на основі такого механізму істотно надійніший і має більш високий ккд у порівнянні з рівнем техніки.

Наступна додаткова відмінність полягає в тому, що вал з кривошипом перетворювача руху має кінематичний зв'язок із органом керування клапанно-розподільною системою і оснащений маховиком. Це забезпечує виконання алгоритму функціонування машини і стабілізує обертання вала незалежно від того, чи він є ведучою кінематичною ланкою для приводу компресорів чи насосів, чи він є валом відбору потужності від модулів об'ємної дії, що працюють як двигуни.

Суть корисної моделі пояснена докладним описом конструкції машини об'ємної дії і описом її роботи з посиланнями на креслення, де зображені: фіг. 1 - блок-схема запропонованої машини об'ємної дії фіг 2 - просторова схема оборотного перетворювача руху на основі сферичного кривошипно-повзунного механізму; фіг. З - схема лопатевого модуля об'ємної дії; фіг. 4 - схема радіально-поршневого модуля об'ємної дії; фіг. 5 - схема аксіально- поршневого модуля об'ємної дії; фіг. 6 - просторова схема машини з лопатевим модулем об'ємної дії; фіг. 7 - просторова схема машини з поршневим модулем об'ємної дії; де 1 - двигун або пристрій відбору потужності, наприклад електричний генератор; 2 - обертовий перетворювач руху; З - модуль об'ємної дії; 4 - блок керування клапанно- розподільною системою подачі рідкого або газоподібного робочого тіла; 5 - вал; 6 - підшипник; 7 - кривошип; 8 - підшипник; 9 - повзун; 10 - стрижневий елемент; 11 - обойма; 12 - вал; 13 - підшипник; 14 - корпус; 15 - радіальний виступ; 16 - ущільнення; 17 - вал; 18 - лопать; 19 - ущільнення; 20 - поршень; 21 - вал; 22 - двоплечий важіль; 23 - шток-рейка; 24 - колесо зубчасте; 25 - вал; 26 - лопатевий модуль об'ємної дії; 27 - муфта; 28 - перетворювач руху; 29 - поршневий модуль об'ємної дії; 30 - одноплечий важіль; 31 - перетворювач руху.

Машини об'ємної дії (фіг. 1) має модульну структуру і містить двигун або пристрій відбору потужності, наприклад електричний генератор 1, з'єднаний з оборотним перетворювачем руху 2, кінематично поєднаний з модулями об'ємної дії 3. Синхронізація роботи всіх взаємодіючих органів машини об'ємної дії здійснюється блоком керування 4, який має кінематичний зв'язок з перетворювачем руху 2.

Оборотний перетворювач руху (фіг. 2) виконаний на основі сферичного кривошипно- повзунного механізму (корпус і маховик не показані), у якому геометричні осі усіх установлених з можливістю обертання деталей перетинаються в одній "центральній" точці, має вал 5, встановлений у підшипниках б, рознімний кривошип 7, жорстко зв'язаний з валом 5 у його середній частині і оснащений посадочним місцем для внутрішнього кільця підшипника 8, площина симетрії якого нахилена до геометричної осі вала 5 під кутом, що перевищує 0", але менший 907 і містить у собі згадану "центральну" точку, повзун 9, виконаний на основі зовнішнього кільця підшипника 8, щонайменше один стрижневий проміжний елемент 10 бо кінематичного зв'язку повзуна 9 з обоймою 11, що з безперервним зазором вільно його охоплює, і жорстко зв'язану з двома співвісними валами 12, установленими на підшипниках 13.

При обертанні вала 5 з кривошипом 7, вал 12 здійснює зворотно-обертальний рух і навпаки.

Лопатевий модуль об'ємної дії (фіг. 3) містить корпус 14 з двома радіальними виступами 15 і каналами для подачі рідкого або газоподібного робочого тіла (клапанно-розподільну систему не показано). Вал 17 містить лопаті 18 і виконаний з можливістю здійснювати зворотно- обертальний рух. Для забезпечення герметичності робочих камер використовуються ущільнення 16 і 19.

Радіально-поршневий (тангенціальний) модуль об'ємної дії (фіг. 4) оснащують, наприклад, шарнірно-важільним механізмом. Під дією рідкого або газоподібного робочого тіла (клапанно- розподільну систему не показано) поршні 20 завжди рухаються у протилежному напрямку, якщо один рухається вгору, другий рухається вниз. Зусилля від поршнів передається на вал 21 двоплечим важелем 22.

Аксіально-поршневий модуль об'ємної дії (фіг. 5) складається з співвісно розташованих циліндрів з поршнями і оснащений, наприклад, зубчасто-рейковим механізмом. Під дією рідкого або газоподібного робочого тіла (клапанно-розподільну систему не показано) лінійне переміщення штока-рейки 23 перетворюється в обертальний рух зубчастого колеса 24, закріпленого на валу 25.

На фіг. б представлено просторову схему машини (клапанно-розподільну систему не показано), оснащеної двома лопатевими модулями об'ємної дії 26, які кінематично зв'язані муфтою 27 з оборотним перетворювачем руху 28 (верхня частина корпусу, кришки підшипникових вузлів і маховик не показані).

На фіг. 7 представлено просторову схему машини (клапанно-розподільну систему не показано), оснащеної двома поршневими модулями об'ємної дії 29, які кінематично зв'язані одноплечим важелем 30 з оборотним перетворювачем руху 31 (верхня частина корпусу, кришки підшипникових вузлів і маховик не показані).

Якщо вхідною кінематичною ланкою є вал 5 з кривошипом 7, кінематично зв'язаний, наприклад, з електричним двигуном 1, то модулі об'ємної дії З можуть служити компресорами чи насосами для нагнітання споживачам придатних текучих середовищ. Якщо ж вал 5 з кривошипом 7 перетворювача руху 2 є вихідною кінематичною ланкою, поєднаною з пристроєм

Зо відбору потужності, наприклад електричним генератором 1, а на вході є працюючий як двигун щонайменше один пристрій об'ємної дії 3, який кінематично зв'язаний з валом 12, то процес протікає в зворотному порядку.

Природно, що при виборі конкретних форм практичного здійснення корисної моделі можливі довільні комбінації зазначених додаткових відмінностей з основним задумом, який може бути доповнений і/або уточнений з використанням звичайних знань фахівців. Це ніяким чином не обмежує обсяг прав на корисну модель.

Машину об'ємної дії можна виготовляти з використанням відомих у промисловості матеріалів, устаткування та інструментів.

Запропонована корисна модель може працювати як двигун внутрішнього і зовнішнього згоряння, насоси, компресори, нагнітачі повітря і/або різних газів, пневмо- і гідродвигуни, вакуумні машини, для об'ємного перекачування рідин, наприклад в технологічних лініях для мірного наповнення обсягу(ів). Крім цього, вона здатна працювати як холодильні машини, наприклад на такому загальнодоступному холодоагенті як повітря. Її можна застосовувати в складі переважно промислових морозильників для тривалого збереження швидкопсувних продуктів харчування, або в складі автомобільних, залізничних і корабельних рефрижераторів, а також як двигуни зовнішнього згоряння із замкнутим циклом робочого тіла, наприклад по циклу Стірлінга Вона може використовуватися для автономного вироблення теплової та електричної енергії в когенераційних установках малої потужності.

Завдяки своїй компактності, врівноваженості, максимальному літражу при обмежених розмірах і високому коефіцієнту корисної дії машина об'ємної дії може знайти широке застосування на спеціальних машинах, де потрібні потужні і економічні силові установки невеликих розмірів.

Джерела інформації: 1. Артоболевский И.И. Механизмь! в современной технике. В 7 томах. Том ІІ. - М.: Наука. 1979. - Мо1514. 2. Автомобильньсе двигатели: учебник для студ. вьісш. учеб. заведений / (М.Г. Шатров, К.А.

Морозов, И.В. Алексеев и др.І|; под ред. М.Г. Шатрова. - 2-е изд., испр. - М.: Академия, 2011. - 464 с. 3. Патент РФ Мо 2133833. Обратимьйй преобразователь направления движения и машина 60 обьемного виьтеснения на его основе /Бельдий Н.Н., Бельдий В.Н. /Опубл. 27.07.1999.

Claims (8)

ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ

1. Машина об'ємної дії, яка містить систему керування, щонайменше одну робочу камеру об'ємної дії з каналами подачі через клапанно-розподільну систему рідкого або газоподібного робочого тіла, витісняючий орган і перетворювач напрямку руху, яка відрізняється тим, що вона має модульну структуру, містить двигун або пристрій відбору потужності, наприклад електричний генератор, щонайменше один модуль об'ємної дії із взаємодіючими органами та модуль, оснащений оборотним перетворювачем напрямку руху на основі сферичного кривошипно-повзунного механізму, у якому геометричні осі усіх установлених з можливістю обертання деталей перетинаються в одній "центральній" точці і який має корпус, вал, що встановлений у корпусі в двох протилежних співвісних підшипниках, оснащений маховиком і пристроєм зв'язку із системою керування машини, рознімний кривошип, що жорстко зв'язаний з валом у його середній частині і оснащений посадочним місцем для внутрішнього кільця підшипника, площина симетрії якого нахилена до геометричної осі вала під кутом, що перевищує 0", але менший 90", і містить згадану "центральну" точку, повзун, що виконаний на основі зовнішнього кільця підшипника, коливальну кінематичну ланку, виконану у вигляді обойми, що з безперервним зазором вільно охоплює повзун, має щонайменше один стрижневий проміжний елемент кінематичного зв'язку з ним і жорстко зв'язану з двома, установленими на підшипниках, додатковими співвісними валами, які виступають за межі корпусу з протилежних сторін, причому один із них механічно пов'язаний щонайменше з одним модулем об'ємної дії і здатний приводити його витісняючий орган при обертанні вала з кривошипом у прямолінійний зворотно-поступальний або зворотно-обертальний рух і навпаки.

2. Машина об'ємної дії за п. 1, яка відрізняється тим, що модуль об'ємної дії оснащується додатковими взаємодіючими органами і здатний працювати як двигун внутрішнього або зовнішнього згоряння.

З.

Машина об'ємної дії за п. 1, яка відрізняється тим, що додатковий вал оборотного перетворювача руху механічно пов'язаний щонайменше з одним витісняючим органом лопатевого або радіально-поршневого (плунжерного, діафрагмового), або аксіально- Зо поршневого (плунжерного, діафрагмового) модуля об'ємної дії. ши З З ї З З ї

А. : ї їх х х ї ІЗ іч ; З ши З ши З ЕІ : . | : ! ; . рт, а: : ; З І

Фіг.1

9, 11 і»» Я на Ед т ЩА п " шо ша,

8 п. З 3 Ко СОЯ с на З я. КО я ай в гай І 8 1о

Фіг.2 У 109 18 що ОКАЗЕАЙЬ у інн Ей сш й ще Панна не ІНН но нан пен У : хо он Я : МИТ ТК а НН

Фіг.

Ка и 0 У З

Фіг.4 23 54 25 х і С ам о В Я ее

Фіг.5 кое Вч ВОЗ о Б що ка КМ с КО я ОО пе ит ГГ с, я ж Же І ї З а. о о. : о. С 8 її. и 0 ї 4: о. і

Фіг.6 в и. б со о -29 ГТ З ЗО

Фіг. 7 000 КомпютернаверсткаА. Крулевськийд (00000000 ДП "Український інститут інтелектуальної власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ - 42, 01601