RU2020240C1

RU2020240C1 - Rotor-piston machine

Info

Publication number: RU2020240C1
Authority: RU
Inventors: Тимофей Тимофеевич Бубнов
Original assignee: Тимофей Тимофеевич Бубнов
Priority date: 1991-03-12
Filing date: 1991-03-12
Publication date: 1994-09-30

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: machine has reduction gear, opposite cylinders with diametrically opposite openings, crankshafts, pistons that form three chambers of alternative volume, and two pairs of connecting rods coupled with pistons in pair and provided with different crankshafts. The machine is provided with a toroidal tank having control valve, two semi-ring chambers, multiplicator of a generator and aerodynamic supports. The shaft is received in the openings of one of the cylinders perpendicular to its axis, axes of pistons and first and second shafts, kinematically connected to the slide valve of the toroidal tank. Each pair of the pistons are provided with spiders with pins kinematically connected to the shafts through connecting rods. The third shaft is provided with wheel of a fan and wheel of an expansion engine which are coupled with the semi-ring chambers. Output of the expansion engine is coupled with inlet of the fan. EFFECT: enhanced efficiency. 2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к поршневым машинам с встречно движущимися поршнями. The invention relates to reciprocating piston machines.

Известен поршневой двигатель, содержащий корпус, цилиндр с вырезами, два встречно движущихся поршня, размещенных в цилиндре с образованием трех камер переменного объема, две пары шатунов, попарно связанных с разными коленчатыми валами, соединенными шестернями [1]. Known piston engine containing a housing, a cylinder with cutouts, two counter-moving pistons placed in the cylinder with the formation of three chambers of variable volume, two pairs of connecting rods, pairwise connected with different crankshafts connected by gears [1].

Двигатель содержит компрессор, сопротивление сжатия в котором достигается путем регенеративного торможения рабочего тела с повышением внутренней энергии рабочего тела, т.е. его теплоты, но это является отношением объемов, т.к. степенью сжатия объемов, но при этом теряется степень расширения за счет внешнего подвода механической энергии. The engine contains a compressor, the compression resistance of which is achieved by regenerative braking of the working fluid with increasing internal energy of the working fluid, i.e. its heat, but this is a ratio of volumes, because the degree of compression of the volumes, but the degree of expansion is lost due to the external supply of mechanical energy.

Однако это означает, что реализуется принцип регенеративного торможения компрессора в машинах с противоположно движущимися поршнями, так в этом случае компрессор является тепловым насосом с реактивными опорами. Но это осуществляется путем противоположного вращения зубчатых колес, связанных с кривошипно-шатунными механизмами. При этом достигается частичное уравновешивание сил инерции поршневых масс и моментов инерции кривошипных валов с потерей эффективного КПД или эффективной мощности преобразователя регенеративного торможения на реактивных опорах. However, this means that the principle of regenerative braking of the compressor is implemented in machines with oppositely moving pistons, in which case the compressor is a heat pump with reactive supports. But this is done by opposing the rotation of the gears associated with the crank mechanisms. In this case, partial balancing of the inertia forces of the piston masses and the moments of inertia of the crank shafts with the loss of effective efficiency or effective power of the regenerative braking converter on the reactive bearings is achieved.

В случае же роторной силовой установки получают силовую установку газовой турбины с регенеративным теплообменником с рабочим веществом воздух, например, в цикле Брайтона (Справочник по системотехнике. /Под ред. Р. Уакола, М. : Советское радио, 1970, с. 327, фиг.20.4), по которому требуется постоянный источник теплоты для турбины, из которой тепловой поток направляется в поглотитель тепловой энергии. Но при этом общий вал между компрессором и турбиной механически замкнут и может иметь высокие окружные скорости компрессора и турбины в отличие от силовых установок с вращающимся винтом, которому это не требуется. Из сопоставленного анализа силовых поршневых установок и силовых роторных установок следует, что в одном случае для поршневых силовых установок необходим принцип регенеративного торможения, а в другом случае для роторных силовых установок нужен регенеративный теплообменник. Но в этом и другом случае для тепловых насосов требуется камера сгорания, чтобы тепло направить для теплоснабжения, а не в поглотитель тепла, которому теплоснабжение не требуется. Отсюда следует, что энергетические уровни по масштабу отличаются по количеству цилиндров или ступеней в том и другом случае. Количество цилиндров приводит к неэффективному использованию увеличенной суммы количества движения и моментов инерции вращающихся и возвратно-поступательных перемещающихся рабочих элементов тепловой машины. In the case of a rotary power plant, a gas turbine power plant with a regenerative heat exchanger with a working substance air is obtained, for example, in the Brighton cycle (Handbook of Systems Engineering / Ed. R. Wacola, M.: Sovetskoe Radio, 1970, p. 327, fig. .20.4), which requires a constant source of heat for the turbine, from which the heat flux is directed to the heat sink. But at the same time, the common shaft between the compressor and the turbine is mechanically closed and can have high peripheral speeds of the compressor and turbine, in contrast to power plants with a rotating screw, which is not required. From a comparative analysis of piston power plants and rotary power plants it follows that in one case the principle of regenerative braking is necessary for piston power plants, and in the other case a regenerative heat exchanger is needed for rotary power plants. But in this and another case, the heat pump requires a combustion chamber in order to direct the heat for heat supply, and not to a heat sink, which does not require heat supply. It follows that the energy levels on the scale differ in the number of cylinders or steps in either case. The number of cylinders leads to inefficient use of the increased amount of momentum and moments of inertia of the rotating and reciprocating moving working elements of the heat engine.

Так в первом случае попарно нужно увеличивать число цилиндров и коленчатых валов, а во втором случае при увеличении количества ступеней необходимо попарно увеличивать количество неподвижных и вращающихся лопаток. А в третьем случае необходима роторно-поршневая машина с попарными шатунами и тремя коленчатыми валами с возможностью снижения удельного веса и тепловых нагрузок компрессора. Это и является целью изобретения. So in the first case, the number of cylinders and crankshafts must be increased in pairs, and in the second case, with an increase in the number of steps, the number of fixed and rotating blades must be increased in pairs. And in the third case, a rotary piston machine with pair connecting rods and three crankshafts with the possibility of reducing the specific gravity and thermal loads of the compressor is needed. This is the purpose of the invention.

Целью изобретения является гидравлическое и динамическое уравновешивание колебательного противоположного процесса типа S n поршневых масс путем одностороннего вращения трех кривошипных валов. The aim of the invention is the hydraulic and dynamic balancing of the opposite oscillatory process of type S n piston masses by unilateral rotation of three crank shafts.

Это достигается благодаря тому, что установлены две аэродинамические опоры, гидравлически связанные тремя регенеративными межцилиндровыми каналами уравновешивания без противоположно вращающихся зубчатых колес, при этом каждый третий вал проходит через центр цилиндра противоположно движущихся поршней в одном цилиндре и механически связан с переключающим золотником торообразной емкости, а каждая пара поршней содержит крестовины с вырезами, расположенными по окружности цилиндра, и содержит два дополнительных пальца двух поршней, при этом крестовина связана с помощью двух шатунов с взаимно параллельными и взаимно перпендикулярными к оси цилиндра вырезами с промежуточными пальцами шатунов и трех коленчатых валов, связанных с золотником и двумя парами гидравлических каналов, одновременно соединенных с колесом вентилятора на входе в две дополнительные полукольцевые надкривошипные камеры, связанные валом с колесом детандера и согласующим редуктором электродвигателя, и согласующим мультипликатором генератора. This is achieved due to the fact that two aerodynamic bearings are installed, hydraulically connected by three regenerative inter-cylinder balancing channels without counter-rotating gears, while every third shaft passes through the center of the cylinder of the opposing pistons in one cylinder and is mechanically connected to the switching valve of the toroidal capacity, and each a pair of pistons contains crosses with cutouts located around the circumference of the cylinder, and contains two additional fingers of two pistons, with this crosspiece is connected with two connecting rods with cutouts mutually parallel and mutually perpendicular to the axis of the cylinder with intermediate fingers of the connecting rods and three crankshafts connected to the spool and two pairs of hydraulic channels simultaneously connected to the fan wheel at the inlet of two additional semi-ring crank chambers connected shaft with expander wheel and matching gear of the electric motor, and matching multiplier of the generator.

Роторно-поршневая машина отличается тем, что эжекторный выход из первой ступени детандера связан с тремя каналами перепуска с параллельным размещением двух цилиндров на расстоянии шага второго винта. The rotary piston machine is characterized in that the ejector exit from the first stage of the expander is connected to three bypass channels with the parallel placement of two cylinders at a step distance of the second screw.

На фиг.1 показана кинематическая и гидравлическая схема одноцилиндровой силовой установки; на фиг.2 - вторая проекция роторно-поршневой одноцилиндровой машины, разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - гидравлическая схема двухцилиндровой машины; на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.2; на фиг.5 - разрез В-В на фиг.2. Figure 1 shows the kinematic and hydraulic diagram of a single-cylinder power plant; figure 2 is a second projection of a rotary-piston single-cylinder machine, section AA in figure 1; figure 3 is a hydraulic diagram of a two-cylinder machine; figure 4 is a section bB in figure 2; figure 5 - section bb in figure 2.

Роторно-поршневая машина по фиг.1,2 содержит электродвигатель 1, согласующий редуктор 2 с передаточным отношением 1:3, установленный на центральной опоре 3 с ребрами жесткости, внутри которой проходят коленчатые валы 4,5, два горизонтальных и один вертикальный вал 6. Центральная опора 3 имеет три контура - внешний контур 7, у которого имеются входные обтекаемые ребра 8 жесткости и выходные обтекаемые ребра 9 жесткости, а также надкривошипный контур 10, где кривошипные валы 4,5 и 6 расположены с шатунами 11,12,13,14, размещенными по окружности одного цилиндра 15 с продольными взаимно параллельными к оси цилиндра 15 вырезами 16,17,18 и 19 (фиг.2 по Б, по В), взаимно перпендикулярными к оси цилиндра 15 вырезами 20,21,22 и 23 (фиг.3) для крестовин 24 и 25. The rotary-piston machine of FIG. 1,2 comprises an electric motor 1, a matching gear 2 with a gear ratio of 1: 3, mounted on a central support 3 with stiffeners, inside of which crankshafts 4,5, two horizontal and one vertical shaft 6 pass. The central support 3 has three circuits - an external circuit 7, which has input streamlined ribs 8 stiffness and output streamlined ribs 9 stiffness, as well as crank contour 10, where the crank shafts 4,5 and 6 are located with connecting rods 11,12,13,14 placed around the circumference of one cylinder 15 with longitudinal cutouts 16,17,18 and 19 mutually parallel to the axis of the cylinder 15 (FIG. 2 by B, C), mutually perpendicular to the cylinder axis 15 of the cutouts 20,21,22 and 23 (FIG. 3) for crosses 24 and 25.

Крестовина 24 имеет дополнительный палец 26 с одной стороны цилиндра 15, который связан с поршнем 27, а с другой стороны крестовины палец 26 соединен с поршнем 28. При этом центр крестовины 24 соединен с помощью пальцев крестовины с двумя шатунами 11 и 13 на перпендикулярном валу 6. The crosspiece 24 has an additional pin 26 on one side of the cylinder 15, which is connected with the piston 27, and on the other side of the crosspiece, the finger 26 is connected to the piston 28. The center of the crosspiece 24 is connected using the fingers of the crosspiece with two connecting rods 11 and 13 on the perpendicular shaft 6 .

Крестовина 25 имеет пальцы 31 и 32, которые соединяют поршни 34 и 35 с горизонтальными шатунами 12 и 14 коленчатых валов 4 и 5 цилиндра 15. При этом вертикальный вал 6 проходит через центр цилиндра 15 и связан с золотником 36, который связан с гидравлическими каналами 37,38,39 и 40 с торообразной емкостью (объемом) 41, размещенной соосно на входе в колесо 42 вентилятора, непосредственно связанной с коленчатым валом 6. Надкривошипный контур 10 совместно с контуром (опорой) 3 образует два полукольцевых контура 7 для колеса 43 детандера. На фиг.1 показан элемент (по Г) ребра жесткости расположенных горизонтально для прохода коленчатых валов 4 и 5 в ребрах жесткости внешней опоры 3. Полукольцевые камеры (контуры) 7 служат для увеличения пропускной способности вентилятора. The crosspiece 25 has fingers 31 and 32, which connect the pistons 34 and 35 to the horizontal connecting rods 12 and 14 of the crankshafts 4 and 5 of the cylinder 15. In this case, the vertical shaft 6 passes through the center of the cylinder 15 and is connected to the spool 36, which is connected to the hydraulic channels 37 , 38,39 and 40 with a toroidal capacity (volume) 41, placed coaxially at the entrance to the fan wheel 42, directly connected to the crankshaft 6. The super-crank circuit 10 together with the circuit (support) 3 forms two half-ring circuits 7 for the expander wheel 43. Figure 1 shows the element (along D) of the stiffeners located horizontally for the passage of crankshafts 4 and 5 in the stiffeners of the external support 3. Semicircular chambers (circuits) 7 are used to increase the fan throughput.

При этом колесо 42 вентилятора и колесо 43 детандера связаны с одной горизонтальной осью с согласующим редуктором 2 электродвигателя 1, который размещен дополнительно на согласующем мультипликаторе 44 совместно с генератором 45. In this case, the fan wheel 42 and the expander wheel 43 are connected with one horizontal axis with the matching gear 2 of the electric motor 1, which is additionally placed on the matching multiplier 44 together with the generator 45.

На фиг. 3 показана гидравлическая схема роторно-поршневой машины, содержащей два последовательно установленных цилиндра 15 с двумя аэродинамическими опорами 3, аналогичных по конструкции описанных по фиг.1 и фиг.2, отличающихся соединенных гидравлических каналов, связанных с пусковой торообразной емкостью 41. In FIG. 3 shows a hydraulic diagram of a rotary piston machine containing two sequentially mounted cylinders 15 with two aerodynamic bearings 3, similar in construction to those described in FIGS. 1 and 2, differing in connected hydraulic channels associated with a starting toroidal capacity 41.

На фиг. 3 показана схема гидравлического и динамического соединения противофазного уравновешивания с помощью регенеративных каналов 46, 47, 48 восьмипоршневой силовой установки без клапанов с переключающим золотником поршневого компрессора с буферной полостью. Работа роторно-поршневой машины осуществляется с момента накопления объемов через вентиль 49. При наполнении рабочее тело поступает через вентиль 49, который является заправочным и регулировочным. Рабочее тело поступает от заправочной баллона в торообразную емкость 41 между поршнями 28 и 34, осуществляя давление на поршни 28 и 34. In FIG. 3 shows a diagram of the hydraulic and dynamic connection of antiphase balancing using regenerative channels 46, 47, 48 of an eight-piston power plant without valves with a switching piston of a piston compressor with a buffer cavity. The operation of the rotary piston machine is carried out from the moment of accumulation of volumes through the valve 49. When filling, the working fluid enters through the valve 49, which is filling and adjusting. The working fluid enters from the filling cylinder into a toroidal container 41 between the pistons 28 and 34, exerting pressure on the pistons 28 and 34.

Под действием усилия на поршни 28 и 34 воздействующей на крестовины 24 и 25 и пальцы шатунов 11 и 13 вал 6 с помощью кривошипов перемещает золотник 36, который является элементом управления после вентиля 49 по углу поворота по направлению, показанному на фиг.3. Under the action of the force on the pistons 28 and 34 acting on the crosses 24 and 25 and the pins of the connecting rods 11 and 13, the shaft 6, using cranks, moves the spool 36, which is a control element after the valve 49 in the rotation angle in the direction shown in FIG. 3.

Внешние поршни цилиндра 15 перемещают остаточное рабочее тело по каналам 46 и 47, 48 в камеры сжатия второго цилиндра сжимая остаточное рабочее тело в камере сжатия второго буферного цилиндра как в буферном компрессоре. При перемещении поршней в разных направлениях каналы 46, 47 и 48 перекрываются внешними поршнями 27 и 35, но при этом золотник поворачивается, переключает каналы 46, 47 и одновременно каналы 39 и 38 емкости 41, перепуская воздух по каналам 46, 47, 48 в буферный цилиндр. Но благодаря вращению электродвигателя 1 через согласующий редуктор 2 происходит переключение золотника 36, сжатый остаточный воздух второго цилиндра будет возвращен обратно в камеру первого цилиндра над поршнями 27 и 35 и создаст возвратную работу рабочему телу в циркуляционном объеме 41. При увеличении частоты переключения золотника 36 и две буферные полости двух цилиндров меняются ролями при каждом переключении с помощью электродвигателя 1 и согласующего редуктора 2, в результате достигается согласование работы поршневой машины по значению Sn и Sn², эти значения определяются перемещением S поршней, а n - число оборотов вращения кривошипных валов, связанных одновременно с золотником и дополнительными надкривошипными камерами подачи воздуха вентилятора колесу детандера.The external pistons of the cylinder 15 move the residual working fluid through channels 46 and 47, 48 into the compression chambers of the second cylinder, compressing the residual working fluid in the compression chamber of the second buffer cylinder as in a buffer compressor. When moving the pistons in different directions, the channels 46, 47 and 48 are blocked by external pistons 27 and 35, but the spool rotates, switches the channels 46, 47 and simultaneously the channels 39 and 38 of the tank 41, transferring air through the channels 46, 47, 48 to the buffer cylinder. But due to the rotation of the electric motor 1 through the matching gear 2, the spool 36 is switched, the compressed residual air of the second cylinder will be returned back to the chamber of the first cylinder above the pistons 27 and 35 and will create a return work to the working fluid in the circulation volume 41. When the switching frequency of the spool 36 and two increase the buffer cavities of the two cylinders change roles at each switching with the help of an electric motor 1 and a matching gear 2, as a result, the operation of the piston machine is coordinated by the value Sn Sn ² , these values are determined by the displacement S of the pistons, and n is the number of revolutions of rotation of the crank shafts connected simultaneously with the spool and additional super-crank chambers for supplying fan air to the expander wheel.

При достижении необходимой частоты вращения по оборотам электродвигателя создаются условия работы колеса детандера и согласованного мультипликатором электрического генератора, используемого энергию регенеративного торможения поршней двигателя и компрессора двойного действия. When the required rotational speed is reached in terms of the electric motor revolutions, the working conditions of the expander wheel and the electric generator agreed upon by the multiplier, the regenerative braking energy of the engine pistons and the double-acting compressor, are created.

Положительный эффект достигается путем установки спрямляющих аппаратов двух винтовых турбонасосов вентиляторного контура с эжектированием воздуха во второй ступени детандера роторно-поршневой машины. A positive effect is achieved by installing rectifying apparatuses of two screw turbine pumps of the fan circuit with air ejection in the second stage of the expander of the rotary piston machine.

Claims

1. ROTOR-PISTON MACHINE, comprising a housing, a reducer, opposed cylinders with diametrically opposite cuts, two crank shafts, pistons placed in the cylinders with the possibility of oncoming movement and with the formation of three chambers of variable volume, and two pairs of connecting rods, paired with pistons and with different crank shafts, characterized in that, in order to ensure hydraulic and dynamic balancing, the machine is equipped with a toroidal tank with a control spool, two half-ring cameras, a multiplier ohm of the generator, two aerodynamic bearings hydraulically connected by three regenerative inter-cylinder balancing channels with chambers of variable volume, and a third crank shaft located in the cutouts of one of the cylinders perpendicular to its axis, the axes of the pistons and other shafts and kinematically connected with the spool of the toroidal capacity, and each pair the pistons are equipped with crosses with fingers kinematically connected by means of connecting rods to the shafts, while a fan wheel and an expander wheel are installed on the third shaft pa, connected to the half annular chambers and the other two shaft kinematically linked - one geared motor, the other - with a multiplier generator.

2. The machine according to claim 1, characterized in that the expander output is in communication with the fan inlet.