Владельцы патента RU 2477559:
Изобретение относится к области электротехники и энергетического машиностроения, а именно - к асинхронным электрическим двигателям с короткозамкнутым ротором, и может быть использован, например, для привода мощных насосов. Предлагаемый аксиальный электрический двигатель выполнен стационарным, открытым на участке земли, корпус его составлен из нижнего пояса, включающего фундаментную плиту с нижним опорным узлом, и верхнего пояса, включающего скрепленную с фундаментом звездообразную сферическую ферму, составленную симметрично из упорных балок, стянутых в центре осевым опорно-центровочным узлом. Между нижним опорным узлом и осевым опорно-центровочным узлом установлено рабочее колесо большого диаметра, на торце которого закреплен собственно короткозамкнутый ротор, отделяемый воздушным зазором от магнитопровода статора, сооруженного на фундаментной плите на подиуме. Вал рабочего колеса вверху соединяют с нагрузкой посредством муфты. Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в обеспечении вращающих моментов большой величины в диапазоне угловых скоростей вращения 50-500 об/мин аксиального электрического двигателя при одновременном упрощении его конструкции. 3 ил.
Изобретение относится к нетрадиционной электроэнергетике, а более конкретно к электрическим асинхронным двигателям переменного тока с короткозамкнутым ротором.
Известен аксиальный электрический двигатель переменного тока, содержащий закрытый корпус с узлами крепления к опоре, размещенный в нем неподвижный статор, состоящий из сердечника с обмоткой и подвижный (вращающийся) короткозамкнутый ротор с горизонтальной осью вращения, установленный в подшипниках фланцев с обеих сторон статора, скрепленных с корпусом. Такой двигатель может быть установлен в любом положении в пространстве и не привязан к одному месту. Такие электрические двигатели хорошо освоены промышленностью, выпускаются различной номенклатуры и широко применяются. См., например, книгу Проектирование электрических машин, авторы И.П.Копылов, Б.К.Клоков и др. изд. «Высшая школа», 2002 г., Москва, стр.29-32.
Недостаток таких двигателей - малые высоты оси вращения роторов, ограничивающие наружный диаметр сердечника статора и не позволяющего достигать большей мощности.
Близкого прототипа к заявляемой конструкции в специальной технической литературе и патентном фонде не найдено.
Цель изобретения - создание специального электрического аксиального двигателя переменного тока простой конструкции с ротором большого диаметра (порядка нескольких метров и более) с частотой вращения 50-300 об/мин, развивающего момент вращения большой величины.
Поставленная цель достигается тем, что двигатель выполнен на участке земли недвижимым стационарным открытым с неподвижным статором и подвижным (вращающимся) рабочим колесом с вертикальной осью вращения, корпус его с нижним и верхним опорными узлами выполнен горизонтальным фундаментом в виде круга, по окружности которого сооружен кольцевой подиум с укрепленной на нем сверху выверенной горизонтальной установочной плитой, на которой собран кольцевой сердечник магнитопровода статора высотой h из шихтованной электротехнической стали, спрессованный прижимной плитой и стянутый рядами шпилек с установочной плитой, в пазы сердечника уложена обмотка статора, рабочее колесо состоит из вертикального вала и радиально-последовательно скрепленных с ним в горизонтальной плоскости ступицы, диска-фермы и собственно короткозамкнутого ротора, нижняя часть вала установлена в центре окружности фундамента в нижнем опорном узле в подшипниках масляной ванны, верхняя часть вала установлена в верхнем опорном узле, состоящем из упорных колонн, упорных балок и осевого опорно-центровочного узла, в котором упорные колонны сооружены симметрично вокруг подиума с равным промежутком между ними с усиленным фундаментом, соединенным монолитно с фундаментом, вверху снабжены крепежными элементами, которыми скреплены внешними концами упорные балки, а внутренние концы их скреплены с осевым опорно-центровочным узлом, снабженным радиальными подшипниками, в котором установлена верхняя часть вала рабочего колеса, соединенная посредством муфты сцепления с потребителем, ступица выполнена в виде диска и соединена в центральной части с валом посредством узла передачи момента вращения, а с внешней с диском-фермой диаметром несколько метров и более, состоящего из радиально-кольцевого объемного жесткого каркаса с верхней и нижней обшивкой, снабженного в периферийной торцевой части собственно короткозамкнутым ротором, выполненным из цилиндра алюминиевого сплава радиальной толщины z с наружным радиусом R от оси вала, высотой h, снабженного внедренными в него через равный интервал «заподлицо» с наружной торцевой поверхностью стержнями из медного сплава, соединенными монолитно сверху и снизу медными шинами в виде обручей, жестко соединенными с радиально-кольцевым каркасом, рабочее колесо по высоте установлено так, что его собственно короткозамкнутый ротор находится напортив сердечника статора и совпадает с ним по высоте, при этом их разделяет по всей окружности цилиндра воздушный зазор величиной δ, обмотку статора соединяют с внешним источником тока.
Конструкция асинхронного электрического двигателя показана на представленных чертежах. На фиг.1 показана схематически конструкция аксиального электрического двигателя, общий вид, разрез по вертикальной диаметральной плоскости («А-А»). На фиг.2 показана схематически конструкция аксиального электрического двигателя, вид сверху. На фиг.3 схематически показана активная индуктивная часть рабочего колеса аксиального электрического двигателя, разрез по вертикальной радиальной плоскости.
Условные обозначения в тексте.
R - (м) радиус ротора аксиального электрического двигателя, расстояние от оси вала до наружной поверхности цилиндра из алюминиевого сплава,
z - (мм) радиальная толщина цилиндра из алюминиевого сплава,
h - (мм) высота сердечника статора, высота цилиндра из алюминиевого сплава собственно ротора (в технической литературе эта величина обозначается символом, т.к. направлена вдоль оси машины),
δс - (мм) величина воздушного зазора между статором и ротором в длительном стояночном положении при низкой температуре окружающей среды.
δр - (мм) величина воздушного зазора между статором и ротором в рабочем состоянии (длительный установившийся режим работы при номинальных оборотах, номинальном токе, номинальной или повышенной температуре).
Позиции на чертежах.
Аксиальный электрический двигатель устроен (см. фиг.1, 7). На некотором участке 1 земли подготавливают горизонтальную площадку, размером порядка 1,5 R, на ней выполняют горизонтальный фундамент 2. В соответствии с документацией под будущим фундаментом прокладывают технологические туннели, трубопроводы, кабели и т.п., а в самом фундаменте устанавливают люки, анкеры, датчики оборудования. По окружности фундамента сооружают подиум 3, который снабжен анкерами для крепления установочной плиты 4, которая по всей ее наружной поверхности должна быть строго выверена в горизонтальной плоскости. На установочной плите 4 сооружают статор 5, кольцевой сердечник магнитопровода которого высотой h собирают из пластин шихтованной электротехнической стали и спрессовывают прижимной плитой 6 двумя рядами стягивающих шпилек 7. При сборке статора 5 выполняют условия: отсутствие заусенцев на пластинах статора и точное, в пределах 1-2 мм, соответствии внутреннего диаметра магнитопровода статора размеру (R+δp) мм, после чего в его пазы укладывают обмотку 8 статора, провода от которой подводят к источнику трехфазного тока.
Рабочее колесо 10 состоит из вертикального вала 9 и радиально-последовательно скрепленных с ним в горизонтальной плоскости ступицы, диска-фермы и собственно короткозамкнутого ротора. Ступица выполнена в виде диска и соединена в центральной части с валом 9 посредством узла передачи момента вращения, например, шпоночного или шлицевого соединения, а с внешней стороны с диском-фермой, выполненной радиально-кольцевым объемным каркасом с верхней и нижней обшивкой. Диск-ферма и ступица соединены посредством разъемного болтового соединения.
В периферийной торцевой части рабочее колесо 10 снабжено собственно короткозамкнутым ротором, который выполнен из цилиндра алюминиевого сплава 11 (см. фиг.3) радиальной толщины z, внешний радиус которого R от оси вала 9, высотой h, снабженного внедренными в него через равный интервал «заподлицо» с наружной торцевой поверхностью стержнями 12 из медного сплава, соединенными монолитно, например сваркой, сверху и снизу медными шинами 13 в виде обручей, жестко соединенными с радиально-кольцевым каркасом.
Рабочее колесо 10 аксиального электрического двигателя может быть выполнено разного размера, от диаметра порядка 1,5-2,5 м до десятков метров. От величины диаметра зависит его конструкция, применяемые материалы, технология изготовления, сборки и методы доставки потребителю. При малых размерах рабочего колеса 10 (фиг.1), его выполняют единым неразъемным узлом и транспортируют в специальной таре к месту сооружения аксиального электрического двигателя. При больших размерах рабочего колеса 10 его конструкция и технология изготовления усложняются в связи с необходимостью выполнения ряда противоречивых требований, что является предметом отдельных технических решений.
Рабочее колесо 10 устанавливают в центре круга фундамента 2. Нижняя часть его вала 9 установлена в нижнем опорном узле 14 в подшипниках опорно-масляной ванны. Верхний опорный узел с валом 9 выполнен следующим образом. На том же участке 1 земли за подиумом 3 по окружности с равным интервалом сооружают упорные колонны 15, которые выполняют монолитно с фундаментом 2, верхняя часть их снабжена крепежными элементами, например болтами, с которыми они соединяются с внешними концами упорных балок 1-6, внутренние концы которых также посредством болтового соединения скреплены с осевым опорно-центровочным узлом 17, снабженным радиальными подшипниками, в которые устанавливают верхнюю часть вала. 9. Количество упорных балок 16 зависит от диаметра рабочего колеса 10 и определяется в результате прочностного расчета корпуса, верхний опорный узел должен обеспечить жесткость всей конструкции аксиального электрического двигателя при максимальных вращающих моментах рабочего колеса 10.
Рабочее колесо 10 устанавливают так, чтобы его короткозамкнутый ротор высотой h был точно установлен напротив сердечника статора 5 и совпадал с ним по высоте h, при этом внешнюю поверхность короткозамкнутого ротора рабочего колеса 10 и внутреннюю поверхность магнитопровода статора 5 по всей окружности должен разделять установочный (стояночный) воздушный зазор δ с постоянной величины, ориентировочно 6-9 мм.
При создании рабочего колеса 10 на определенную частоту вращения и заданный вращающий момент необходимо выполнить не только расчет прочности в статике, но и динамический расчет, при этом учесть, что механические напряжения во всех узлах не должны превосходить предела прочности материала, а в наиболее опасных и важных конструктивных элементах - короткозамкнутых медных шинах-ободах не должны превосходить предела текучести меди.
Кроме того, радиальная деформация от махового момента центробежных сил (упругая деформация растяжения), суммированная с продольной деформацией от теплового удлинения в установившемся рабочем режиме при номинальной нагрузке, не должна превышать определенной величины, являясь в то же время полезной деформацией, уменьшающей воздушный зазор до величины δр, положительно влияющей на характеристики асинхронного электрического двигателя.
Аксиальный электрический двигатель работает: при включении обмотки 8 статора к источнику переменного электрического тока, в магнитопроводе сердечника статора 5 возникает вращающееся электромагнитное поле, которое взаимодействует с собственно короткозамкнутым ротором рабочего колеса 10 и вращает его с расчетной угловой частотой. Окружная сила, действуя на расстоянии R создает непрерывный момент вращения расчетной величины валу 9, который через муфту сцепления 18 приводит в действие нагрузку - насос большой производительности для подачи пульпы (тяжелая горная порода с водой) на агрегаты обогатительной фабрики.
Техническая эффективность изобретения в том, что создана конструкция экономичного аксиального электрического двигателя переменного тока, передающего нагрузке момент вращения значительной величины.
Аксиальный электрический двигатель переменного тока, содержащий закрытый корпус с узлами крепления к опоре, размещенный в нем неподвижный статор, состоящий из сердечника с обмоткой, и подвижный (вращающийся) короткозамкнутый ротор с горизонтальной осью вращения, установленный в подшипниках фланцев с обеих сторон статора, скрепленных с корпусом, отличающийся тем, что двигатель выполнен на участке земли недвижимым, стационарным открытым с неподвижным статором и подвижным (вращающимся) рабочим колесом с вертикальной осью вращения, корпус его, с нижним и верхним опорными узлами, выполнен горизонтальным фундаментом в виде круга, по окружности которого сооружен кольцевой подиум с укрепленной на нем сверху выверенной горизонтальной установочной плитой, на которой собран кольцевой сердечник магнитопровода статора высотой h из шихтованной электротехнической стали, спрессованный прижимной плитой и стянутый рядами шпилек с установочной плитой, в пазы сердечника уложена обмотка статора, рабочее колесо состоит из вертикального вала и радиально-последовательно скрепленных с ним в горизонтальной плоскости ступицы, диска-фермы, и собственно короткозамкнутого ротора, нижняя часть вала установлена в центре окружности фундамента в нижнем опорном узле в подшипниках масляной ванны, верхняя часть вала установлена в верхнем опорном узле, состоящем из упорных колонн, упорных балок и осевого опорно-центровочного узла, в котором упорные колонны сооружены симметрично вокруг подиума с равным промежутком между ними с усиленным фундаментом, соединенным монолитно с фундаментом, вверху снабжены крепежными элементами, которыми скреплены внешними концами упорные балки, а внутренние концы их скреплены с осевым опорно-центровочным узлом, снабженным радиальными подшипниками, в котором установлена верхняя часть вала рабочего колеса, соединенная посредством муфты сцепления с потребителем, ступица выполнена в виде диска и соединена в центральной части с валом посредством узла передачи момента вращения, а с внешней - с диском-фермой диаметром несколько метров и более, состоящим из радиально-кольцевого объемного жесткого каркаса с верхней и нижней обшивкой, снабженным в периферийной торцевой части собственно короткозамкнутым ротором, выполненным из цилиндра алюминиевого сплава радиальной толщины z с наружным радиусом R от оси вала высотой h, снабженного внедренными в него через равный интервал «заподлицо» с наружной торцевой поверхностью стержнями из медного сплава, соединенными монолитно сверху и снизу медными шинами в виде обручей, жестко соединенными с радиально-кольцевым каркасом, рабочее колесо по высоте установлено так, что его собственно короткозамкнутый ротор находится напротив сердечника статора и совпадает с ним по высоте, при этом их разделяет по всей окружности цилиндра воздушный зазор величиной δ, обмотку статора соединяют с внешним источником тока.
В начале десятых годов прошлого века возникла новая тенденция в двигателестроении. Инженеры нескольких стран занялись созданием т.н. аксиальных двигателей внутреннего сгорания. Компоновка мотора с параллельным размещением цилиндров и главного вала позволяла уменьшить габариты конструкции с сохранением приемлемой мощности. Ввиду отсутствия устоявшихся альтернатив силовые установки этого класса представляли большой интерес и регулярно становились предметами новых патентов.
В 1911 году к работам по тематике аксиальных двигателей подключился американский конструктор Генри Л.Ф. Треберт. Работая в собственной мастерской в Рочестере (штат Нью-Йорк), он разработал свой вариант перспективного двигателя, который, в первую очередь, предназначался для самолетов. Предполагаемая сфера применения сказалась на основных требованиях к конструкции. Новый двигатель должен был иметь минимально возможные габариты и вес. Анализ перспектив различных идей и решений привел к уже известным выводам: одно из самых лучших соотношений размеров, веса и мощности дает аксиальная компоновка.
Общий вид двигателя
Проект Треберта был готов к осени 1911 года. В октябре инженер подал заявку в патентное бюро, но ее одобрения пришлось ждать несколько лет. Патент был выдан только в ноябре 1917 года – через шесть лет после подачи документов. Тем не менее, конструктор получил все необходимые документы, которые, в частности, позволили ему остаться в как создателю интересного проекта.
Г.Л.Ф. Треберт решил строить новый авиационный двигатель по аксиальной схеме с воздушным охлаждением цилиндров. С целью улучшения охлаждения, подобно другим разработкам того времени, новый мотор планировалось делать ротативным с поворачивающимся блоков цилиндров. Кроме того, автор проекта предложил использовать новый механизм преобразования движения цилиндров во вращение вала. Предыдущие аксиальные двигатели для этого использовали шайбовый механизм. В проекте Треберта для этих целей предлагалось использовать коническую зубчатую передачу.
Основной деталью двигателя Треберта был цилиндрический картер, состоящий из крупной «банки» и крышки с болтовым соединением. Внутри картера размещался основной механизм. Поскольку двигатель был ротативным, на донной части картера предусматривались жесткие крепления для вала, на котором должен был устанавливаться воздушный винт. Кроме того, внутри картера предусматривались подшипники для главного вала, который предлагалось жестко закреплять на мотораме самолета.
В крышке предусматривались отверстия для установки литых цилиндров. Известно о существовании двух вариантов двигателя Треберта. В первом применялись четыре цилиндра, во втором – шесть. Патент 1917 года был выдан на шестицилиндровый двигатель. Следует отметить, количество цилиндров не сказывалось на общей компоновке двигателя и влияло только на размещение конкретных агрегатов. Общая структура двигателя и принцип его работы не зависели от числа цилиндров.
Чертеж из патента
Внутри цилиндров размещались поршни с шатунами. Ввиду использования сравнительно простого механизма передачи Треберт использовал качающееся крепление шатунов, которые могли двигаться только в одной плоскости. В верхней части цилиндра предусматривался патрубок для подачи бензовоздушной смеси от карбюратора. Патрубок имел Г-образную форму и своим верхним концом соприкасался со специальным полым барабаном на главном валу двигателя. В стенке барабана предусматривалось окно для подачи смеси. При вращении подвижного блока двигателя впускные патрубки последовательно соединялись с окном барабана и подавали смесь в цилиндр. Кроме того, имелись клапаны для сброса выхлопных газов. Отдельный выхлопной коллектор не предусматривался, газы выбрасывались через патрубок цилиндра. Зажигание производилось свечами, соединенными с магнето. Последнее, согласно патенту, размещалось рядом с валом воздушного винта.
Более ранние аксиальные двигатели Смоллбоуна и Макомбера имели в своем составе механизм «планшайба-стержни». Такая система обеспечивала требуемые характеристики, но была сложной с точки зрения конструкции, эксплуатации и обслуживания. Генри Л.Ф. Треберт предложил использовать для тех же целей коническую зубчатую передачу. На жестко закрепленном главном валу размещалось зубчатое колесо, которое отвечало за поворот всей конструкции двигателя. С ним контактировали 4 или 6 зубчатых колес (по числу цилиндров) меньшего диаметра. Эти шестерни были связаны с кривошипами и шатунами поршней.
Общая схема механизмов (без цилиндров и картера)
Во время работы двигателя поршни, двигаясь вниз и вверх относительно цилиндра, через шатуны и кривошипы должны были вращать малые шестерни. Последние, находясь в сцеплении с жестко закрепленным главным зубчатым колесом, заставляли блок цилиндров и картер вращаться вокруг главного вала. Вместе с ними должен был вращаться и воздушный винт, жестко закрепленный на картере. За счет вращения предполагалось улучшить обдув головок цилиндров с целью более эффективного охлаждения.
Запатентованный вариант двигателя Треберта имел цилиндры с внутренним диаметром 3,75 дюйма (9,52 см) и ходом поршня длиной 4,25 дюйма (10,79 см). Общий рабочий объем двигателя составлял 282 куб. дюйма (4,62 л). В составе двигателя планировалось использовать карбюратор фирмы Panhard и магнето компании Mea. Предлагаемый двигатель, по расчетам, мог развивать мощность до 60 л.с.
Схема двигателя в сборе
Характерной особенностью аксиальных двигателей внутреннего сгорания являются сравнительно малые габариты и вес конструкции. Двигатель Треберта не стал исключением из этого правила. Он имел максимальный диаметр 15,5 дюйма (менее 40 см) и общую длину 22 дюйма (55,9 см). Общий вес двигателя со всеми агрегатами составлял 230 фунтов (менее 105 кг). Таким образом, удельная мощность составляла 1,75 л.с. на килограмм веса. Для авиационных двигателей того времени это было неплохим достижением.
Аксиальный авиационный двигатель конструкции Г.Л.Ф. Треберта стал предметом патента, выданного в ноябре 1917 года. Дальнейшая судьба проекта достоверно неизвестна. В некоторых источниках упоминается, что Треберт смог начать серийное производство изделий собственной разработки, но подробности этого отсутствуют. Дефицит информации позволяет предполагать, что двигатели Треберта не заинтересовали потенциальных покупателей. В противном случае история сохранила бы информацию об использовании таких моторов в качестве силовой установки каких-либо самолетов. Вероятно, ввиду позднего получения патента конструктор не успел представить свою разработку в то время, когда она была актуальна и представляла интерес. Как результат, двигатели, если и производились серийно, не имели большого успеха.
По материалам сайтов:
http://douglas-self.com/
http://mechanicalgalaxy.blogspot.ru/
http://gillcad3d.blogspot.ru/
Известно, что повышение мощности двигателя внутреннего сгорания связано с ростом габаритов и веса конструкции. К подобным результатам приводит как увеличение количества цилиндров, так и увеличение их внутреннего объема. По этой причине для сохранения массы и габаритов на приемлемом уровне требуется искать различные оригинальные компоновочные решения. К примеру, именно из-за требований по повышению мощности с сохранением приемлемой массы появились радиальные, в том числе ротативные, двигатели. В начале прошлого века было предложено еще одно решение проблемы - т.н. аксиальный двигатель.
В июле 1903 года инженер Гарри Илс Смоллбоун (Harry Eales Smallbone) получил канадский патент на новую конструкцию двигателя внутреннего сгорания. Весной 1905 года Смоллбоун подал заявку в американское патентное бюро, результатом чего стал патент, полученный 22 мая 1906 года. Инженер предложил «многоцилиндровый двигатель» (Multiple cylinder engine) оригинальной конструкции. Главной идеей проекта было максимально возможное сокращение габаритов двигателя с сохранением сравнительно большого числа цилиндров. Немного позже предложенная конструкция двигателя получила название аксиальной.
Аксиальный двигатель Смоллбоуна имел четыре цилиндра и должен был потреблять бензин. Главной целью разработки было сокращение габаритов изделия, для чего автор применил оригинальное компоновочное решение. Картер нового двигателя состоял из трех основных частей. В первой располагался блок цилиндров с системой клапанов и зажигания, вторая предназначалась для соединения агрегатов, а третья вмещала механизм привода основного вала.
Чертеж двигателя Смоллбоуна из патента
Четыре цилиндра располагались по углам условного квадрата, параллельно друг другу. В центре блока цилиндров имелся канал для вала. Параллельное размещение цилиндров и вала позволило уменьшить общее сечение двигателя, хотя привело к необходимости использования специального механизма, приводящего вал в движение. Несмотря на это, Г.И. Смоллбоун счел подобные трудности приемлемой платой за уменьшение размеров.
В донной части картера располагался шайбовый механизм, отвечавший за преобразование поступательного движения цилиндров во вращательное движение вала. Дно картера имело специальный выступ, на котором укреплялась качающаяся деталь сложной формы. Подобная «планшайба» была образована центральным конусом и несколькими боковыми выступами. Ввиду необходимости качания в разных направлениях планшайба закреплялась на шарнире: в ее центральной части имелся канал для стержня с шаровой опорой на конце, входившей в соответствующую выемку дна картера.
На концевой части четырех боковых выступов предусматривались узлы крепления для шатунов с шаровыми наконечниками. Для обеспечения свободного перемещения в пределах необходимых секторов шатуны шарнирно закреплялись в поршнях. Боковые выступы планшайбы перемещались по специальным рельсам, предусмотренным на внутренней поверхности картера.
Во время работы по четырехтактной схеме поршни двигателя должны были поочередно качать планшайбу основного механизма. Качаясь на своем опорном стержне, планшайба должна была вести его по круговой траектории. Хвостовая часть стержня входила в отверстие маховика основного вала. Двигаясь по кругу, стержень должен был вращать маховик и приводить в движение основной вал двигателя и связанные механизмы.
Система подачи бензовоздушной смеси, зажигания и выпуска выхлопных газов не имели серьезных нововведений. Тем не менее, автор применил интересное размещение ее деталей. В верхней стенке цилиндра предусматривалось отверстие с небольшой трубкой на конце. В стенках этой трубки предусматривались клапаны подачи и выпуска, а в дне помещалась свеча зажигания. Такая компоновка была связана с необходимостью сокращения габаритов всего двигателя. К примеру, удалось максимально упростить кулачковый механизм открытия клапанов, поскольку толкатели последних находились в непосредственной близости от основного вала.
Двигатель Смоллбоуна должен был оснащаться системой водяного охлаждения. Для отбора лишнего тепла в блоке цилиндров предусматривались специальные полости, по которым должна была циркулировать охлаждающая жидкость. Необходимо отметить, что на имеющемся чертеже двигателя отсутствуют какие-либо намеки на агрегаты системы охлаждения. Это можно объяснить тем, что автор собирался патентовать только саму конструкцию двигателя, а не полноценное изделие, готовое к серийному производству.
Шайбовый механизм современного двигателя компании Duke Engines, созданного на основе идей Смоллбоуна
Из имеющегося чертежа можно сделать выводы о габаритах двигателя предложенной конструкции. Такой агрегат вписывался в цилиндр диаметром не более 3-4 диаметров поршня. Таким образом, с точки зрения плотности компоновки предложенный аксиальный двигатель представлял большой интерес. Общая длина двигателя находилась в прямой зависимости от различных параметров использованных механизмов. К примеру, размеры механизма преобразования движения поршней во вращение вала зависели от диаметра поршней и длины их хода.
Любопытной особенностью проекта Г.И. Смоллбоуна был определенный модернизационный потенциал. При правильном подходе к конструированию увеличение мощности двигателя было связано только с ростом длины конструкции. Необходимость в существенном увеличении диаметра отсутствовала. Кроме того, имелась возможность увеличения количества цилиндров при сравнительно небольшом росте габаритов.
В 1903-1906 годах автор оригинального двигателя получил два патента, в Канаде и США. Как следует из имеющихся источников, на этом история любопытного проекта закончилась. Аксиальный двигатель внутреннего сгорания конструкции Смоллбоуна не заинтересовал потенциальных заказчиков. Вероятно, отсутствие интереса было связано с ситуацией в двигателестроении и смежных отраслях. В начале двадцатого века автомобильная промышленность еще не нуждалась в оптимизации соотношения мощности и габаритов двигателей. Авиация, в свою очередь, делала первые шаги и решала более важные вопросы, чем соотношение характеристик двигателя.
Проект Смоллбоуна не привлек внимания и оказался забыт. В течение нескольких следующих лет никто не возвращался к идее аксиальной компоновки двигателя. Следующая попытка внедрить оригинальную идею произошла в 1911 году, и была куда более удачной. Новые аксиальные двигатели даже дошли до малосерийного производства, но это уже совсем другая история.
По материалам сайтов:
http://douglas-self.com/
http://cynthiashidesertblog.blogspot.ru/
http://theoldmotor.com/
Аксиальный ДВС Duke Engine
Мы привыкли к классическому дизайну двигателей внутреннего сгорания, который, по сути, существует уже целый век. Быстрое сгорание горючей смеси внутри цилиндра приводит к увеличению давления, которое толкает поршень. Тот, в свою очередь, через шатун и кривошип крутит вал.
Классический ДВС
Если мы хотим сделать двигатель помощнее, в первую очередь нужно увеличивать объём камеры сгорания. Увеличивая диаметр, мы увеличиваем вес поршней, что отрицательно сказывается на результате. Увеличивая длину, мы удлиняем и шатун, и увеличиваем весь двигатель в целом. Или же можно добавить цилиндров - что, естественно, также увеличивает результирующий объём двигателя.
С такими проблемами столкнулись инженеры ДВС для первых самолётов. Они, в конце концов, пришли к красивой схеме «звездообразного» двигателя, где поршни и цилиндры расположены по кругу относительно вала через равные углы. Такая система хорошо охлаждается потоком воздуха, но очень уж она габаритная. Поэтому поиски решений продолжались.
В 1911 году Macomber Rotary Engine Company из Лос-Анджелеса представила первый из аксиальных (осевых) ДВС . Их ещё называют «бочковыми», двигателями с качающейся (или косой) шайбой. Оригинальная схема позволяет разместить поршни и цилиндры вокруг основного вала и параллельно ему. Вращение вала происходит за счёт качающейся шайбы, на которую поочерёдно давят шатуны поршней.
У двигателя Макомбера было 7 цилиндров. Изготовитель утверждал, что двигатель был способен работать на скоростях от 150 до 1500 об/мин. При этом на 1000 об/мин он выдавал 50 л.с. Будучи изготовлен из доступных в то время материалов, он весил 100 кг и имел размеры 710×480 мм. Такой двигатель был установлен в самолёт авиатора-первопроходца Чарльза Фрэнсиса Уолша «Серебряный дротик Уолша».
Не остались в стороне и советские инженеры . В 1916-м году появился двигатель конструкции А. А. Микулина и Б. С. Стечкина, а в 1924 г - двигатель Старостина. Об этих двигателях знают, пожалуй, только любители истории авиации. Известно, что детальные испытания, проведенные в 1924 г, выявили повышенные потери на трение и большие нагрузки на отдельные элементы таких двигателей.
Изобретение относится к двигателестроению. Технический результат заключается в возможности создания аксиально-поршневого двигателя, отличающегося повышенной надежностью и малыми габаритами, в котором в процессе работы изменяется давление свежего заряда. Согласно изобретению двигатель содержит блок цилиндров с цилиндрами рабочей секции и с цилиндрами компрессорной секции. В блоке цилиндров установлен с возможностью вращения в подшипниковых опорах коленчатый вал с кривошипом. Расположенные в цилиндрах попарно поршни рабочей секции и поршни компрессорной секции для предотвращения осевого разворота имеют некруглую форму, например овальную. Поршни связаны штоками через сферические шарниры с рычагами наклонной шайбы, в которой соосно с ней выполнено отверстие, с обеих сторон которого симметрично расположены подшипниковые опоры, соединяющие наклонную шайбу с кривошипом. В корпусе на двух противоположно расположенных цапфах шарнирно установлена крестовина, а наклонная шайба выполнена с возможностью качания на двух противоположно расположенных цапфах, которые установлены шарнирно в крестовине. При этом двигатель дополнительно содержит компрессор с электроприводом от системы электрооборудования, включаемый для создания давления в ресивере перед запуском двигателя и при необходимости повышения степени сжатия. Кроме того, выход компрессорной секции и выход компрессора через воздушный ресивер подключены к входам впускных клапанов головки цилиндров рабочей секции. 2 ил.
Рисунки к патенту РФ 2301896
Изобретение относится к двигателестроению, конкретнее к аксиально-поршневым двигателям внутреннего сгорания с осями цилиндров, расположенных в одной плоскости с осью ведущего вала, и с качающейся наклонной шайбой.
Известен аксиально-поршневой двигатель, содержащий блок цилиндров, поршни с шатунами, установленные в блоке цилиндров, ведущий вал, наклонную шайбу с установленной на ней качающейся шайбой, связанной с шатунами, дополнительные в каждом цилиндре встречно расположенный поршень с шатуном, по меньшей мере один полый промежуточный вал, одну дополнительную наклонную шайбу с установленной на ней качающейся шайбой, связанной с шатунами встречно расположенных поршней, причем на каждом полом промежуточном валу установлены обе наклонные шайбы, при этом каждый промежуточный вал связан с ведущим валом через цилиндрические зубчатые передачи, а каждая качающаяся шайба связана с ведущим валом через коническую и цилиндрическую зубчатые передачи (см. описание изобретения к патенту РФ №2163682, МПК F02В 75/32, F02В 75/26, F01В 3/02, публикация 27.02.2001 г.).
Недостатком известного двигателя является невысокий КПД из-за большого количества зубчатых зацеплений.
Известен аксиально-поршневой двигатель, содержащий корпус, установленный в корпусе на подшипниках скольжения с возможностью вращения ведущий вал с первой осью симметрии и с кривошипом, блок цилиндров, оси которых параллельны первой оси ведущего вала, расположенные в цилиндрах поршни с шатунами, наклонную шайбу со второй осью и с центральной цапфой, связанной шарнирно с возможностью качания с кривошипом, при этом наклонная шайба шарнирно соединена посредством шатунов с поршнями, крестовину с двумя противоположно расположенными на третьей оси цапфами, которые установлены шарнирно в корпусе на подшипниках качения, кроме того, наклонная шайба выполнена с дополнительными двумя противоположно расположенными на четвертой оси цапфами, которые установлены шарнирно в крестовине посредством подшипников качения, при этом четвертая ось перпендикулярна третьей оси и пересекается в общей точке с первой, второй и третьей осями (см. описание полезной модели к патенту РФ №40393, МПК F01В 3/02, публикация 10.09.2004 г.).
Недостатком этого двигателя, принятого за прототип, является консольное расположение ведущего вала, что увеличивает габариты двигателя, повышает нагрузку на шарнир центральной цапфы, связанный с кривошипом, и соответственно снижает надежность двигателя в целом.
Задачей заявляемого изобретения является повышение надежности, уменьшение габаритов, изменение степени сжатия в процессе работы аксиально-поршневых двигателей.
Сущность изобретения заключается в том, что аксиально-поршневой двигатель, содержит блок цилиндров с цилиндрами рабочей секции и с цилиндрами компрессорной секции, установленный в блоке цилиндров с возможностью вращения в подшипниковых опорах коленчатый вал с кривошипом и с первой осью симметрии, которая расположена в одной плоскости с осями цилиндров, расположенные в цилиндрах попарно поршни рабочей секции и поршни компрессорной секции, для предотвращения осевого разворота имеющие некруглую форму (например овальную), с штоками, наклонную шайбу с рычагами, со второй осью симметрии и с соосным с ней отверстием, с обеих сторон которого симметрично расположены подшипниковые опоры, соединяющие наклонную шайбу с кривошипом, при этом наклонная шайба скользящими по ее рычагам сферическими шарнирами соединена с штоками и поршнями, крестовину с двумя противоположно расположенными на третьей оси цапфами, которые установлены шарнирно в корпусе в подшипниковых опорах, кроме того, наклонная шайба выполнена с возможностью качания на двух противоположно расположенных на четвертой оси цапфах, которые установлены шарнирно в крестовине в подшипниковых опорах, при этом четвертая ось перпендикулярна третьей оси и пересекается в общей точке с первой, второй и третьей осями, двигатель дополнительно содержит головку цилиндров компрессорной секции, компрессор с электроприводом от системы электрооборудования, включаемый перед запуском двигателя и при необходимости повышения степени сжатия, воздушный ресивер, распределительный вал с кулачками для управления через толкатели впускными и выпускными клапанами головки цилиндров рабочей секции, который установлен на продолжении первой оси в блоке цилиндров в подшипниковой опоре, при этом выход компрессорной секции и выход компрессора через воздушный ресивер подключены к входам впускных клапанов головки цилиндров.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 показан аксиально-поршневой двигатель, общий вид в продольном разрезе;
на фиг.2 - то же, поперечный разрез А-А.
Аксиально-поршневой двигатель содержит блок цилиндров 1 с цилиндрами 2 рабочей секции и с цилиндрами 3 компрессорной секции, установленный в блоке цилиндров 1 с возможностью вращения в подшипниковых опорах 4, 5 коленчатый вал 6 с кривошипом 7 и с первой осью симметрии, которая расположена в одной плоскости с осями цилиндров 2, 3, расположенные в цилиндрах 2, 3 попарно поршни 8 рабочей секции и поршни 9 компрессорной секции, для предотвращения осевого разворота имеющие некруглую форму (например овальную), с штоками 10, наклонную шайбу 11 с рычагами 12, со второй осью симметрии и с соосным с ней отверстием, с обеих сторон которого симметрично расположены подшипниковые опоры 13, 14, соединяющие наклонную шайбу 11 с кривошипом 7, при этом наклонная шайба 11 скользящими по ее рычагам 12 шарнирами 15 и штоками 10 соединена с поршнями 8 и 9, крестовину 16 с двумя противоположно расположенными на третьей оси цапфами 17, 18, которые установлены шарнирно в блоке цилиндров 1 в подшипниковых опорах 19, 20, кроме того, наклонная шайба 11 выполнена с возможностью качания на двух противоположно расположенных на четвертой оси цапфах 21, 22, которые установлены шарнирно в крестовине 16 в подшипниковых опорах 23, 24, при этом четвертая ось перпендикулярна третьей оси и пересекается в общей точке с первой, второй и третьей осями, двигатель дополнительно содержит головку цилиндров 25 компрессорной секции, компрессор 26 с электроприводом от системы электрооборудования, воздушный ресивер 27, распределительный вал 28 с кулачками 29, 30 для управления через толкатели 31, 32 впускными 33 и выпускными 34 клапанами головки цилиндров 35 рабочей секции, который установлен на продолжении первой оси в блоке цилиндров 1 в подшипниковой опоре 36, при этом выход компрессорной секции и выход компрессора через воздушный ресивер 27 подключены к входам впускных клапанов 33 головки цилиндров 35 рабочей секции. В головке цилиндров 35 установлены форсунки 37 подачи топлива.
Аксиально-поршневой двигатель работает следующим образом. При вращении коленчатого вала 6 в подшипниковых опорах 4, 5 в цилиндрах 3 компрессорной секции поршнями 9 сжимается воздух и вытесняется в воздушный ресивер 27. Циклы впуска и сжатия. При положении поршня 8 в верхней мертвой точке цилиндра 2 блока цилиндров 1 при вращении коленчатого вала 6 закрывается выпускной клапан 34 и открывается впускной клапан 33, размещенные в головке цилиндров 35. При движении поршня 8 в направлении нижней мертвой точки рабочая полость цилиндра 2 наполняется сжатым воздухом из ресивера 27. При положении поршня 8, в котором объем надпоршневой полости равен объему камеры сгорания, закрывается впускной клапан 33 и производится впрыск топлива через форсунку 37. Начало цикла рабочего хода. При достижении поршнем 8 нижней мертвой точки (или с некоторым опережением) открывается выпускной клапан 34. Окончание рабочего хода и начало цикла выпуска. При движении поршня 8 от нижней мертвой точки к верхней происходит удаление выхлопных газов. Совершающие возвратно-поступательное движение поршни 8 через штоки 10, шарниры 15 воздействуют на рычаги 12 наклонной шайбы 11, качающейся на цапфах 21, 22 в подшипниковых опорах 23, 24 крестовины 16 относительно оси IV и совместно с крестовиной 16 в подшипниковых опорах 19, 20 блока цилиндров 1 относительно оси III. В результате наклонная шайба 11 через подшипниковые опоры 13, 14 воздействует на кривошип 7, совершающий с коленчатым валом 6 круговое движение относительно оси I в подшипниковых опорах 4, 5 и с распределительным валом 28 в подшипниковой опоре 36 с кулачками 29, 30, воздействующими через толкатели 31, 32 на соответствующие впускные 33 и выпускные 34 клапаны головки цилиндров 35 двигателя. Компрессор 26 служит для создания давления воздуха в воздушном ресивере 27 перед запуском двигателя и увеличения давления в процессе работы с целью повышения степени сжатия.
Заявленное изобретение позволит повысить надежность, уменьшить габариты, изменять степень сжатия в процессе работы аксиально-поршневых двигателей.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Аксиально-поршневой двигатель, содержащий блок цилиндров с цилиндрами рабочей секции и с цилиндрами компрессорной секции, установленный в блоке цилиндров с возможностью вращения в подшипниковых опорах коленчатый вал с кривошипом и с первой осью симметрии, которая расположена в одной плоскости с осями цилиндров, расположенные в цилиндрах попарно поршни рабочей секции и поршни компрессорной секции, для предотвращения осевого разворота имеющие некруглую форму (например, овальную), с штоками, наклонную шайбу со второй осью симметрии, крестовину с двумя противоположно расположенными на третьей оси цапфами, которые установлены шарнирно в корпусе в подшипниковых опорах, кроме того, наклонная шайба выполнена с возможностью качания на двух противоположно расположенных на четвертой оси цапфах, которые установлены шарнирно в крестовине в подшипниковых опорах, при этом четвертая ось перпендикулярна третьей оси и пересекается в общей точке с первой, второй и третьей осями, двигатель дополнительно содержит головку цилиндров компрессорной секции, воздушный ресивер, распределительный вал с кулачками для управления через толкатели впускными и выпускными клапанами головки цилиндров рабочей секции, который установлен на продолжении первой оси в блоке цилиндров в подшипниковой опоре, при этом выход компрессорной секции и выход компрессора через воздушный ресивер подключены к входам впускных клапанов головки цилиндров, отличающийся тем, что двигатель дополнительно содержит компрессор с электроприводом от системы электрооборудования, включаемый для создания давления в ресивере перед запуском двигателя и при необходимости повышения степени сжатия, а наклонная шайба имеет отверстие, с обеих сторон которого симметрично расположены подшипниковые опоры, соединяющие наклонную шайбу с кривошипом, при этом наклонная шайба скользящими по ее рычагам сферическими шарнирами соединена с штоками и поршнями.