Самый невероятный поршневой мотор. Аксиальные двигатели внутреннего сгорания
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/
Под аксиальными двигателями понимаются двигатели с осями цилиндров, параллельными оси вала.
Аксиальный двигатель - это красиво.
1. С косой (неподвижной относительно вала) шайбой.
2. С качающейся шайбой. Качающаяся шайба свободна относительно вала.
3. Уникальный вариант. Придумал Henry L.F. Trebert в 1912 году.
3a. Тот же двигатель, для простоты восприятия вращение блока цилиндров (хм, или даже цилиндра цилиндров) вокруг оси вала не показано.
Аксиальный двигатель - это исторично и патриотично.
Первый авиадвигатель отечественной разработки был аксиальным. АМБС-1 разработали А.А.Микулин и Б.С.Стечкин в январе-августе 1915го. Двигатель двухтактный, оппозитный, с косой шайбой и непосредственным впрыском топлива, рассчитывали на мощность 300л.с. Завешен в 1916 году, проработал три минуты - погнулись штоки поршней.
4. 
В 1922 году простой мастер завода Л.И.Старостин предложил свою конструкцию восьмицилиндрового аксиала. Двигатель получил (одним из первых) официальный госзаказ от ГУВП и обозначение М-9. Строился на заводе "Икар" с привлечением специалистов НАМИ. Проектную мощность оценили как 400л.с. Очень долго строили мотор, испытания начались его только в январе 1927го. Мощность оказалась ниже расчетной, а надежность никакой. После этого опыта к проектированию аксиальных авиамоторов в СССР не возвращались. Сам двигатель должен быть в экспозиции музея в Монино.
5.
Восьмицилиндровый
Оконно-щелевое газораспределение
Безредукторный
Безнаддувный
Диаметр цилиндра 140мм
Ход поршня 180мм
Степень сжатия 3,1
Мощность по проекту 400л.с.
Достоинства аксиального двигателя по сравнению с традиционными моторам:
Малые габариты, малый вес, сбалансированность работы, ...
Недостатки:
Самый важный - "высокие контактные напряжения косой шайбы и сопряжённых с ней деталей" , увеличение диаметра при росте количества цилиндров, сложность запуска.
Патенты по аксиальным моторам (да собственно и по другим типам и вариантам двигателей) появляются регулярно, попытки построить нормально работающий мотор такого типа с переменным успехом, но чаще неуспехом идет с начала 20 века. Периодически появляются известия о том, что кто-то что-то построил и оно работает.
Вот пример: пятицилиндровый четырехтактный трехлитровый мотор из Новой Зеландии от фирмы Duke (www.dukeengines.com).
6.
8. Впечатляющий ролик от киви.
Новозеландцы кстати пишут, что по их мнению оптимальное количество цилиндров должно быть нечетным и не равно трем или семи, т.е. фактически остается только пять. Выходит большие мощности для аксиала заказаны. Зато двиганы теоретически можно "спаривать", ставя друг за другом.
Вне авиации аксиальные моторы ставятся на торпеды, такой принцип работы используется в насосах и.т.д.
Ну и так, для развлечения - Ла-7 с неким виртуальным аксиальным двигателем, диаметр которого при пятицилиндровости
и десятипоршневости будет около полуметра. АШ-82 имеет диаметр 1260мм.
9. :)
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».
Гениальный и слегка безумный инженер, изобретатель, конструктор и бизнесмен Джон Захария Делореан мечтал построить новую автомобильную империю в пику существующим, и сделать совершенно уникальный «автомобиль мечты». Все мы знаем машину DMC-12, которую называют просто DeLorean. Она не только стала звездой экрана в фильме «Назад в будущее», но и отличалась уникальными решениями во всём — начиная от алюминиевого кузова на плексигласовом каркасе и заканчивая дверями «крылья чайки». К сожалению, на фоне экономического кризиса производство машины не оправдало себя. А затем Делореан долго судился по подложному делу о наркотиках.
Но мало кто знает, что Делореан хотел дополнить уникальный внешний вид машины ещё и уникальным мотором — среди найденных после его смерти чертежей были и чертежи аксиального ДВС. Судя по его письмам, он задумал такой двигатель ещё в 1954 году, а всерьёз принялся за разработку в 1979-м. В двигателе Делореана было три поршня, и они располагались равносторонним треугольником вокруг вала. Но каждый поршень был двусторонним — каждый из концов поршня должен был работать в своём цилиндре.
Чертёж из тетради Делореана
По каким-то причинам рождение двигателя не состоялось — возможно, потому, что разработка автомобиля с нуля вышло достаточно сложным предприятием. На DMC-12 устанавливали 2,8-литровый двигатель V6 совместной разработки Peugeot, Renault и Volvo мощностью 130 л. с. Пытливый читатель может изучить сканы чертежей и заметок Делореана на этой странице .
Экзотический вариант аксиального двигателя - «двигатель Требента»
Тем не менее, такие двигатели не получили широкого распространения — в большой авиации постепенно состоялся переход на турбореактивные двигатели, а в автомобилях по сию пору используется схема, в которой вал перпендикулярен цилиндрам. Интересно только, почему такая схема не прижилась в мотоциклах, где компактность пришлась бы как раз кстати. По-видимому, они не смогли предложить какой-либо существенной выгоды по сравнению с привычным нам дизайном. Сейчас такие двигатели существуют, но устанавливаются в основном в торпедах — благодаря тому, как хорошо они вписываются в цилиндр.
Вариант под названием "Цилиндрический энергетический модуль " с двусторонними поршнями. Перпендикулярные штоки в поршнях описывают синусоиду, двигаясь по волнистой поверхности
Главная отличительная черта аксиального ДВС — компактность. Кроме того, в его возможности входит изменение степени сжатия (объёма камеры сгорания) просто путём изменения угла наклона шайбы. Шайба качается на валу благодаря сферическому подшипнику.
Однако новозеландская компания Duke Engines в 2013 году представила свой современный вариант аксиального ДВС. В их агрегате пять цилиндров, но всего лишь три форсунки для впрыска топлива и — ни одного клапана. Также интересной особенностью двигателя является тот факт, что вал и шайба вращаются в противоположных направлениях.
Внутри двигателя вращаются не только шайба и вал, но и набор цилиндров с поршнями. Благодаря этому удалось избавиться от системы клапанов — движущийся цилиндр в момент зажигания просто проходит мимо отверстия, куда впрыскивается топливо и где стоит свеча зажигания. На стадии выпуска цилиндр проходит мимо выпускного отверстия для газов.
Благодаря такой системе количество необходимых свечей и форсунок получается меньшим, чем количество цилиндров. А на один оборот приходится в сумме столько же рабочих ходов поршня, как у 6-цилиндрового двигателя обычного дизайна. При этом вес аксиального двигателя на 30% меньше.
Кроме того, инженеры из Duke Engines утверждают, что и степень сжатия их двигателя превосходит обычные аналоги и составляет 15:1 для 91-го бензина (у стандартных автомобильных ДВС этот показатель равен обычно 11:1). Все эти показатели могут привести к уменьшению расхода топлива, и, как следствие — к уменьшению вредного воздействия на окружающую среду (ну или к увеличению мощности двигателя — в зависимости от ваших целей).
Сейчас компания доводит двигатели до коммерческого применения. В наш век отработанных технологий, диверсификации, экономии на масштабе и т.п. сложно представить, как можно серьёзно повлиять на индустрию. В Duke Engines, по-видимому. это тоже представляют, поэтому намереваются предлагать свои двигатели для моторных лодок, генераторов и малой авиации.
Демострация малых вибраций двигателя Duke
Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, а именно к роторным двигателям. Техническая задача, решаемая изобретением: повышение надежности работы конструкции, в частности снижение износа уплотнений лопаток. Двигатель включает крышки, между которыми установлен на оси ротор, в направляющих прорезях которого установлены лопатки. Лопатка имеет форму уплощенного цилиндра, а на ее боковой поверхности выполнены два тангенциальных паза, расположенные диаметрально противоположно. Крышки со стороны, обращенной к ротору, имеют кольцевые выемки, образующие кольцевой канал для прохождения рабочего тела, разделенный ротором. Кольцевой канал имеет в сечении, проходящем через ось, форму окружности с диаметром, соответствующим диаметру лопатки. Канал волнообразно изгибается по синусоиде симметрично относительно среднего сечения ротора, перпендикулярного оси. В крышках имеются окна для впуска воздуха и выпуска отработанных газов. В теле каждой крышки имеются соединенные с каналом камеры, в которых размещены топливные форсунки, а при необходимости калоризаторы. Уплотнительные кольца свободно установлены в пазах лопаток, выполненных на боковой поверхности их дисковых участков. 4 ил.
Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, а именно к роторным двигателям. Известен роторно-поршневой двигатель Ванкеля [А.Ф.Крайнев. Словарь-справочник по механизмам. - М.: Машиностроение, 1987 г., стр. 40]. В двигателе трехгранный ротор размещен внутри цилиндрического корпуса, профиль которого выполнен по эпитрохоиде. Ротор установлен так, что он может вращаться на эксцентриковом валу и жестко соединен с зубчатым колесом, которое взаимодействует с неподвижным зубчатым колесом. Ротор с зубчатым колесом обкатывается по неподвижному колесу так, что его грани скользят по внутренней поверхности корпуса, отсекая переменные объемы камер внутреннего канала. При этом канал для прохождения рабочего тела образован между внутренней поверхностью корпуса и поверхностью ротора. Корпус снабжен окнами для подачи топливной смеси и выхода отработавших газов, а также соединенной с каналом камерой с установленной в ней свечой зажигания. Двигатель не имеет массивных деталей, совершающих возвратно-поступательное движение, благодаря чему повышается плавность хода, уменьшается уровень шума и вибрации при работе. Однако конструкция имеет недостатки, связанные с наличием зубчатых колес и эксцентрикового вала, что снижает надежность его работы. В качестве прототипа выбран роторный аксиальный двигатель [Заявка PCT 94/04794, МКИ F 01 C 1/344, опубл. 03.03.94]. Двигатель имеет корпус, внутри которого на оси вращения закреплен дисковый ротор с установленными в его прорезях лопатками. Корпус из двух соединенных между собой массивных крышек. В кольцевой выемке каждой крышки со стороны ротора установлена съемная вставка, формирующая конфигурацию канала для прохождения рабочего тела. Таким образом, можно считать, что каждя крышка выполнена составной. Это прием использован в прототипе для повышения технологичности изготовления массивной крышки с каналом заданной конфигурации, которая диктуется формой лопатки и законом ее осевого возвратно-поступательного перемещения. В прототипе используются лопатки в форме прямоугольных пластин, короткие стороны которых, обращенные к крышкам, имеют радиусное закругление. Соответствующую форму в поперечном сечении имеет кольцевой канал для прохождения рабочего тела, который разделен диском ротора на две равные по объему части. В направлении вдоль оси ротора канал волнообразно изгибается по периодическому закону, симметрично относительно среднего сечения ротора, перпендикулярного оси ротора. Волна в развертке на плоскости имеет форму трапеции. Крышки снабжены окнами для подачи воздуха и выхода отработавших газов, а также камерой, соединенной с каналом, в которой установлена топливная форсунка. Прототип, в отличие от приведенного выше аналога, имеет аксиальное расположение дискового ротора и полностью уравновешен, а потому более надежен в эксплуатации. Однако при работе двигателя лопатки испытывают значительные пиковые нагрузки, вследствие ступенчатых изгибов канала. Кроме того, сложная система неподвижных уплотнений на лопатке приводит к их неравномерному износу в процессе работы. Уплотнения, находящиеся на закруглениях лопатки изнашиваются существенно быстрее, чем на прямых поверхностях, что приводит к потере герметичности рабочих камер, а следовательно, к падению мощности или даже к поломке двигателя. В основу изобретения поставлена задача повышения надежности работы конструкции. Поставленная задача решается тем, что в роторном аксиальном двигателе, включающем корпус, состоящий из соединенных между собой двух крышек, между которыми установлен закрепленный на оси ротор, на периферийной части которого имеются направляющие прорези, ориентированные в радиальных плоскостях вдоль оси ротора, в которых установлены лопатки с обеспечением возможности их возвратно-поступательного движения в направлении, параллельном оси ротора, на внутренней поверхности каждой крышки выполнена кольцевая выемка такой конфигурации, что при соединении крышек образуется кольцевой канал для прохождения рабочего тела, канал имеет в сечении, проходящем через ось ротора форму по форме лопатки и волнообразно изгибается по периодическому закону, симметрично относительно среднего сечения ротора, перпендикулярного его оси, при этом лопатки снабжены уплотнительными элементами, периферийная часть ротора с установленными лопатками размещена внутри кольцевого канала, а каждая крышка снабжена окнами для подачи воздуха в кольцевой канал и выхода отработавших газов, а также камерой, соединенной с кольцевым каналом, в которой установлена топливная форсунка, согласно изобретению каждая лопатка имеет форму уплощенного цилиндра, на боковой поверхности которого имеются два тангенциальных паза, расположенных диаметрально противоположно, выполненных с обеспечением возможности размещения лопатки в направляющей прорези ротора, уплотнительные элементы установлены на боковой поверхности дисковых частей лопатки с обеспечением возможности их свободного перемещения по периметру дисковых частей лопатки, канал волнообразно изгибается по синусоиде. Изобретение иллюстрируется фигурами чертежей:
Фиг.1 - изометрия общего вида двигателя,
Фиг.2 - изометрия лопатки с уплотнительными элементами,
Фиг.3 - сечение А-А на фиг. 1 (по разъему крышки и ротора),
Фиг.4 - диаграмма рабочего процесса двигателя (развертка на плоскости кольцевого сечения по средней линии канала). Двигатель включает верхнюю крышку 1 и нижнюю крышку 2, соединенные болтами 3 через проставку 4. Ротор 5 закреплен на оси 6 с обеспечением возможности вращения на подшипниках 7. В направляющих прорезях ротора 5 на его периферийной части свободно установлены лопатки 8, имеющие форму уплощенного цилиндра. Крышки 1, 2 со стороны, обращенной к ротору 5, имеют кольцевые выемки 9, которые выполнены таким образом, что при сборе крышек в единую конструкцию образуется кольцевой канал 10 для прохождения рабочего тела, разделенный ротором 5. Кольцевой канал 10 имеет в сечении, проходящем через ось 6 форму окружности с диаметром, соответствующим диаметру лопатки. Кольцевой канал 10 волнообразно изгибается по синусоиде 11 симметрично относительно среднего сечения ротора 5, перпендикулярного оси 6. В крышках 1, 2 имеются окна 12 для впуска воздуха и окна 13 для выпуска отработанных газов. В теле каждой крышки имеются соединенные с каналом 10 камеры 14, в которых размещены топливные форсунки 15, а при необходимости калоризаторы (на фигурах не показаны). Лопатка 8 имеет на боковой поверхности два тангенциальных паза 16, расположенные диаметрально противоположно. Уплотнительные элементы - кольца 17 - могут быть свободно установлены в пазах, выполненных на боковой поверхности дисковых участков лопаток 8. Канал 10 делится ротором на две части, каждую из которых условно можно разделить на зоны: 18 - зона впуска воздуха, 19 - зона сжатия, 20 - зона рабочего хода, 21 - зона выпуска отработанных газов. При этом каждая рабочая зона верхней части канала сдвинута по отношению к аналогичной рабочей зоне нижней части канала на определенный угол. В случае, если "синусоида" канала имеет 2 периода, как показано на фиг. 4, то угол сдвига составляет 90 o . В двигателях с большей мощностью, а следовательно с большим диаметром ротора, целесообразно увеличивать количество периодов изгибов канала. В таком случае угол сдвига будет составлять меньшую величину. Двигатель работает следующим образом. В начальный момент пусковой механизм приводит во вращение ротор 5, и лопатки 8 начинают перемещаться по каналу 10. При этом в объем между соседними лопатками 8, находящимися в зоне 18 всасывается или нагнетается воздух через окно 12. Затем после прохождения окна обеими лопатками объем между ними уменьшается и происходит сжатие воздуха (зона 19). В зоне 20 рабочего хода из камеры 14 через форсунку 15 в сжатый воздух подается топливо, которое самовоспламеняется при высокой степени сжатия, либо поджигается при помощи калоризатора. Давление расширяющихся газов воздействует на лопатки 8 и вращают ротор 5. Отработанные газы выходят через окна 13 в зоне 21. В дальнейшем горение поддерживается непрерывной подачей топлива через форсунку 15. При работе двигателя лопатки 8 совершают сложное движение: возвратно-поступательное в прорезях ротора 5 и поступательное движение в кольцевом канале 10. Уплотнение рабочих камер между лопатками осуществляется кольцами 17. Ввиду того, что кольца установлены в пазах на лопатках свободно, они при движении лопаток проскальзывают по пазу, постоянно меняя свое положение, и следовательно, изнашиваются равномерно. Синусоидальная форма канала 10 обеспечивает плавность хода лопаток, что снижает их износ по сравнению с прототипом и повышает надежность работы. Заявляемый двигатель может работать по описанному циклу на любом жидком углеводородном топливе без изменения конструкции. В особых случаях, когда для достижения большой мощности двигателя диаметр лопатки существенно увеличивают, он может приближаться к критической величине. Чтобы этого избежать в крышках выполняют несколько концентрических каналов, а в роторе - несколько концентрических рядов прорезей с соответственным количеством установленных в них лопаток меньшего диаметра. Изобретение найдет промышленное применение в автомобилестроении, в авиастроении и может быть использовано в переносных энергоустановках.
