RU218640U1 - Энергетическая машина - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к энергетическим машинам и поршневым двигателям внутреннего сгорания. Технический результат полезной модели - обеспечение возможности создания энергетической машины с регулируемой выходной мощностью вращения ее выходного вала достигается за счет того, что энергетическая машина, содержащая двигатель внутреннего сгорания, выполненный с возможностью преобразования возвратно-поступательного движения поршней в цилиндрах двигателя во вращательное движение его шестерен, центрично смонтированных на сегментах вала двигателя внутреннего сгорания и соединяющих шестерни соседних цилиндров, за счет эксцентричного соединения шатуна поршня к упомянутым шестерням двигателя, и шестерню машины, смонтированную на отдельном валу машины, входящую в зацепление с шестернями двигателя внутреннего сгорания, отличающаяся тем, что шестерни на валу энергетической машины смонтированы неподвижно относительно упомянутого вала, а их количество соответствует количеству ступеней в энергетической машине, каждая из ступеней представляет собой одну шестерню машины и один или несколько двигателей внутреннего сгорания, при этом шестерня машины одной ступени входит в зацепление с шестернями двигателя внутреннего сгорания этой же ступени. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к энергетическим машинам и поршневым двигателям внутреннего сгорания [F01B 9/00, F01B 9/04, F16H 21/00, F16H 21/10, F16H 21/16, F16H 21/18].

Из уровня техники известен ШЕСТЕРЕНЧАТЫЙ ДВИГАТЕЛЬ [EP 2503129 (A1), опубликовано: 26.09.2012], содержащий двигатель внутреннего сгорания, имеющий один или несколько первых цилиндров, в котором с возможностью скольжения размещен соответствующий поршень, при этом цилиндр и поршень образуют камеру сгорания, поршень шарнирно соединен с шатуном, шестеренчатый двигатель содержит выходной вал, пару ведущих зубчатых колес, расположенных параллельно друг другу, пару ведомых зубчатых колес, расположенных параллельно друг другу на выходном валу, причем первое из указанных ведомых зубчатых колес приводится в движение первым ведущим зубчатым колесом, а другое из указанных ведомых зубчатых колес приводится в движение другим ведущим зубчатым колесом, при этом шатун соединен с обоими ведущими зубчатыми колесами в эксцентричном положении для приведения в движение этих ведущих зубчатых колес, при этом положение эксцентрика является эксцентричным по отношению к оси вращения ведущих зубчатых колес.

Также известна ШАТУННО-КРИВОШИПНАЯ СИСТЕМА [IT 201800004523 (A1), опубликовано: 16.10.2019], состоящая из коленчатого вала, смонтированного по крайней мере, на одной паре концевых опор, соединенного по крайней мере с одним потребителем через вращающийся вал и по меньшей мере один поршень с соответствующим шатуном, отличающийся тем, что содержит по меньшей мере одну шестерню, образованную первым зубчатым колесом, находящимся в зацеплении со вторым зубчатым колесом, указанное первое зубчатое колесо выполнено за одно целое с коленчатым валом и центрировано относительно пары концевых опор, указанное второе зубчатое колесо составляет одно целое с вращающимся валом, первое зубчатое колесо снабжено по меньшей мере одним эксцентриковым гнездом для монтажа пальца шатуна к упомянутому первому зубчатому колесу.

Наиболее близкой по технической сущности является МАШИНА [DE 102006033200 (A1), опубликовано: 24.01.2008], содержащая корпус, в котором с возможностью вращения установлен коленчатый вал, на котором шарнирно закреплен, по крайней мере, один шатун, несущий поршень, причем поршень выполнен с возможностью перемещения в цилиндре, охваченном головкой блока цилиндров с образованием рабочей камеры, а коленчатый вал соединен с рабочим валом через шестерню, отличающийся тем, что коленчатый вал и рабочий вал установлены в корпусе так, что они неподвижны по отношению друг к другу, коленчатый вал выполнен из сегментов, по крайней мере, на торцах которых смонтированы ведущие шестерни, ведущие шестерни соседних сегментов вала соединены между собой шатунным пальцем, ведущая шестерня смонтирована на сегменте коленчатого вала на подшипник, на рабочем валу смонтирована ведомая шестерня, находящаяся в зацеплении с ведущей шестерней, шатун соединен с ведущей шестерней эксцентрично с возможностью преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное ведущей шестерни на сегменте коленчатого вала.

Основной технической проблемой аналогов и прототипа является невозможность регулировать мощность вращательного движения выходного вала, так как двигатель внутреннего сгорания, применяемый в приведенных решениях, является, по своей сути, одноступенчатым и изменение количества ступеней для регулирования мощности вращения выходного вала без замены двигателя невозможно. Другим недостатком аналогов и прототипа являются большие габаритные размеры энергетических машин, построенных по приведенным схемам. Кроме того, существенным недостатком прототипа является неподвижное взаимное расположение коленчатого вала и рабочего вала и вращательное движение передается непосредственно от ведущей шестерне ведомой за счет их подвижного монтажа на упомянутых валах. Такое решение усложняет конструкцию машину и снижает ее надежность.

Задача полезной модели состоит в устранении недостатков прототипа.

Технический результат полезной модели заключается в обеспечении возможности создания энергетической машины с регулируемой выходной мощностью вращения ее выходного вала.

Указанный технический результат достигается за счет того, что энергетическая машина, содержащая двигатель внутреннего сгорания, выполненный с возможностью преобразования возвратно-поступательного движения поршней в цилиндрах двигателя во вращательное движение его шестерен, шестерни центрично смонтированы на валу двигателя внутреннего сгорания и входят в зацепление с шестерней машины, смонтированной на отдельном валу, отличающаяся тем, что вал энергетической машины разбит на сегменты, где на каждом сегменте неподвижно, относительно упомянутого вала, смонтирована шестерня, количество сегментов вала соответствует количеству ступеней в энергетической машине, каждая из ступеней представляет собой шестерню машины и двигатель внутреннего сгорания, шестерни которого, передающие возвратно-поступательное движение поршней через шатуны, входят в зацепление с шестерней машины, при этом соседние сегменты главного вала последовательно соединены между собой муфтой сцепления для увеличения мощности вала энергетической машины за счет суммирования мощностей двигателей внутреннего сгорания ступеней энергетической машины.

В частности соединение шестерен двигателя внутреннего сгорания с шестерней каждой из ступеней энергетической машины может быть выполнено через дифференциал с возможностью передачи и сложения различных по своим угловым скоростям потоков мощностей ступеней энергетической машины в один исходящий поток мощности главного вала.

На фиг. 1 показана кинематическая схема двухступенчатой энергетической машины.

На фиг.2 показан кинематическая схема двухступенчатой энергетической машины с сегментированным главным валом.

На фиг.3 показан кинематическая схема двухцилиндрового двигателя внутреннего сгорания.

На фигурах обозначено: 1 - корпус машины, 2 - главный вал, 3 - шестерни машины, 4 - шестерни ДВС, 5 - корпуса ДВС, 6 - цилиндры, 7 - поршни, 8 - шатуны, 9 - сегменты валов ДВС, 10 - муфта сцепления.

Осуществление полезной модели

Самым большим двигателем внутреннего сгорания в мире является судовой дизельный двухтактный двигатель с крейцкопфным кривошипно-шатунным механизмом, оборудованный турбонаддувом и интеркулером RTA96-C, компании Wartsila - Sulzer, имеющий следующие характеристики:

вес - 2300 тонн;

длина - 27 м;

высота - 13,4 м;

тип турбонаддува - постоянного давления;

количество клапанов - 1 выпускной клапан на цилиндр;

диаметр цилиндра - 960 мм;

ход поршня - 2500 мм;

рабочий объём цилиндра - 1820 литров;

рабочий объём 14-ти цилиндрового двигателя 25480 литров;

средняя скорость поршня - 8,5 м/с;

максимальная мощность - 108 920 л.с. при 102 об/мин;

максимальный крутящий момент - 7 907 720 Нм при 102 об/мин;

расход топлива - более 6 283 л/час.

Использованная в двигателе классическая схема двигателя внутреннего сгорания позволила использовать около 50% тепловой энергии, получаемой от сгорания топлива, что является хорошим показателем, при этом габариты приведенного двигателя значительны.

Мощность двигателя внутреннего сгорания P [кВт] определяется по формуле:

N = МКР ⋅ n/ 9550,

где МКР - крутящий момент двигателя, n - обороты коленчатого вала.

Крутящий момент МКР зависит от величины хода поршня, чем больше ход, тем больше плечо, а чем больше плечо, тем большая работа совершается, но при этом количество оборотов уменьшается.

Полезная модель представляет собой энергетическую машину в корпусе 1 (см. фиг.1) которой, по крайней мере, на одной паре концевых опор с возможностью вращения, смонтирован главный вал 2 с жестко установленной на нем шестерней машины 3. Энергетическая машина может включать в себя несколько ступеней, где одна ступень энергетической машины представляет собой одну шестерню машины 3 и один или несколько двигателей внутреннего сгорания, шестерня машины 3 входит в зацепление с шестернями ДВС 4 (ДВС - двигатель внутреннего сгорания) одной ступени. Таким образом, при выполнении энергетической машины многоступенчатой, количество шестерней машины 3, смонтированных на главном валу 2 должно соответствовать количеству ступеней в энергетической машине. В одном из вариантов реализации, выходной вал 2 может состоять из сегментов главного вала 10 (см. фиг.2), каждый из которых в корпусе 1 смонтирован на своей паре концевых опор, при этом упомянутые соседние сегменты главного вала 2 соединены между собой муфтой сцепления 10. Муфта сцепления 10 выполнены фрикционными, кулачковыми и т.д.

Двигатель внутреннего сгорания энергетической машины содержит корпус ДВС 5, в котором смонтированы один или несколько цилиндров 6. В цилиндре 6 с возможностью возвратно-поступательного движения размещен поршень 7, при этом в цилиндре 6 над поршнем 7 образована камера сгорания. Поршень 7 шарнирно соединен с шатуном 8, который в свою очередь эксцентрично соединен с парой шестерней ДВС 4 между ними, при этом плоскости вращения шестерен ДВС 4 расположены параллельно. Шестерни ДВС 4 неподвижно и центрично смонтированы на сегментах вала ДВС 9, смонтированных вдоль одной оси на подшипниках, смонтированных в корпусе ДВС 5 с возможностью вращения, при этом шестерни ДВС 4 двух соседних цилиндров 6 смонтированы на одном сегменте вала ДВС 9 (см. фиг.3). Шатун 8 смонтирован по центру между шестернями ДВС 4 с возможностью равномерного распределения нагрузки на ось шатуна 4, шестерни ДВС 4 и сегменты вала ДВС 9 и повышения надежности такого соединения.

При наличии в двигателе внутреннего сгорания нескольких цилиндров 6, шатуны 8 соседних поршней 7 к шестерням ДВС 4 смонтированы диаметрально противоположно.

В одном из вариантов реализации шестерня машины 4 выполнена в виде двух спаренных или отдельных шестерен, смонтированных на главном валу 2, каждая из которых входит в зацепление с шестернями ДВС 4, к которым смонтирован шатун 8 одного поршня 7.

Для равномерного распределения нагрузки и устойчивости в энергетической машине, количество ступеней должно быть не менее двух, мощность двигателей внутреннего сгорания выбирается в зависимости от требуемой мощности при выходе на трансмиссию. Количество оборотов главного вала 2 можно подобрать передаточным числом шестерен ДВС 4 и шестерен машины 3 энергетической машины. Предлагаемая конструкция энергетическая машины, за счёт нескольких ступеней, позволяет устанавливать требуемую мощность энергетической машины по мере необходимости.

В одном из вариантов реализации соединение шестерен ДВС 4 ступени энергетической машины с шестерней машины 3 реализуется через дифференциал (на фигурах не показан) с возможностью передачи и сложения различных по своим угловым скоростям потоков мощностей ступеней энергетической машины без пробуксовок и потерь КПД в один исходящий поток мощности главного вала 2.

Работа энергетической машины основано на преобразовании возвратно-поступательного движения поршня 7 с шатуном 8 двигателя внутреннего сгорания во вращательное движение шестерен ДВС 4 и передаче упомянутого вращательного движения шестерне машины 3 со сложением мощностей ступеней энергетической машины, каждая из которых передает вращательное движение шестерен ДВС 4 на отдельную шестерню машины 3.

При запуске двигателя внутреннего сгорания первой ступени энергетической машины, цикл работы двигателя внутреннего сгорания начинается с такта сжатия, когда поршень 7 двигателя за счет силы инерции шестерен ДВС 4 движется от нижней к верхней мертвым точкам. При достижении поршня 7 верхней мертвой точки происходит воспламенение в цилиндре 6 топливно-воздушной смеси. Энергия, образовавшаяся при воспламенении топливно-воздушной смеси, воздействует на поршень 7 и толкает его к нижней мертвой точке. Поршень 7 передает возвратно-поступательное движение через шатун 8 на шестерни ДВС 4 и те за счет эксцентричного соединения с шатуном 8 преобразуют возвратно-поступательное движение поршня 7 во вращательное движение. Вращательное движение шестерен ДВС 4 передают шестерне машины 3, находящейся в зацеплении с шестернями ДВС 4, а шестерни машины 3 соответственно за счет жесткого соединения с главным валом 2 передают полученное вращательное движение на главный вал 2. При этом используется только установленная мощность первой ступени.

По мере возникновения потребности в увеличении мощности главного вала 2 в варианте реализации главного вала 2 в виде сегментов, посредством муфт сцепления 10 соединяют один сегмент главного вала 2 с соседним сегментов главного вала 2, при этом первая ступень машины производит запуск двигателя внутреннего сгорания второй ступени, а мощность на выходе из главного вала 2 машины увеличивается вдвое. Таким же образом подключают третью и последующие ступени, что позволяет регулировать мощность вращения главного вала 2 подключением или отключением ступеней машины.

В 2022 году автором полезной модели произведены макетные испытания и расчёты, которые позволили сделать выводы, что установка в энергетической машине с атмосферными ДВС главного вала 2 с шестернями машины 3 позволяет убрать жесткую зависимость между ходом поршня 7 и количеством оборотов шестерен ДВС 4. Главный вал 2 с шестернями машины 3 позволяет получить требуемый крутящий момент при заданном количестве оборотов.

Например, уменьшив габаритные размеры двигателя внутреннего сгорания RTA96-C (цилиндра, поршня, шатуна) в четыре раза, диаметр поршня будет составлять 240 мм, ход поршня 625 мм, при этом для сохранения мощности уменьшенной в габаритах энергетической машины, количество оборотов должно составлять 408 об/мин. При изменении классической схемы энергетической машины на предлагаемый автором полезной модели, диаметр шестерни машины 3 на главном валу 2 должен составлять 2500 мм.

В этом случае на выходе из двигателя внутреннего сгорания за счёт увеличения числа оборотов до 408, получается требуемая мощность, за счёт передачи этой мощности на шестерню 3, имеющую плечо для создания крутящего момента в 1250 мм, на выходе главного вала мы имеем 102 об/мин, при этом энергетическая машина по предложенной схеме, будет иметь габариты и вес на порядок меньше, чем у энергетической машины, построенной по классической схеме, при неизменной мощности и оборотах главного вала 2.

Реализуя техническое решение в виде многоступенчатой энергетической машины, где на каждую шестерню машины 3 приходится свой двигатель внутреннего сгорания и, сегментируя главный вал, соединяя сегменты между собой муфтами сцепления 10, получаем возможность регулировать мощность вращения главного вала 2.

Claims (2)

1. Энергетическая машина, содержащая двигатель внутреннего сгорания, выполненный с возможностью преобразования возвратно-поступательного движения поршней в цилиндрах двигателя во вращательное движение его шестерен, шестерни центрично смонтированы на валу двигателя внутреннего сгорания и входят в зацепление с шестерней машины, смонтированной на отдельном валу, отличающаяся тем, что вал энергетической машины разбит на сегменты, где на каждом сегменте неподвижно, относительно упомянутого вала, смонтирована шестерня, количество сегментов вала соответствует количеству ступеней в энергетической машине, каждая из ступеней представляет собой шестерню машины и двигатель внутреннего сгорания, шестерни которого, передающие возвратно-поступательное движение поршней через шатуны, входят в зацепление с шестерней машины, при этом соседние сегменты главного вала последовательно соединены между собой муфтой сцепления для увеличения мощности вала энергетической машины за счет суммирования мощностей двигателей внутреннего сгорания ступеней энергетической машины.

2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что соединение шестерен двигателя внутреннего сгорания с шестерней каждой из ступеней энергетической машины может быть выполнено через дифференциал с возможностью передачи и сложения различных по своим угловым скоростям потоков мощностей ступеней энергетической машины в один исходящий поток мощности главного вала.

Images