PL205327B1 - Wysoko impulsywny, elektrohydrodynamiczny, grawitacyjno-inercyjny silnik zamkniętego cyklu - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest wysoko impulsywny elektrohydrodynamiczny grawitacyjnoinercyjny silnik zamkniętego cyklu stosowany do napędu urządzeń o dużej mocy zwłaszcza wałów śrub okrętowych, wyposażony w osadzony w korpusie, co najmniej jeden wirnik z wirującymi tłokami zamocowanymi na sworzniach w komorach wirnika. Korpus urządzenia jest ponadto zaopatrzony w obwody niskiego i wysokiego ciśnienia w postaci kanałów doprowadzających i odprowadzających czynnik roboczy, na przykład olej. Silnik jest również wyposażony w osadzony obrotowo i współosiowy względem wirnika wał napędowy.

Znane są ze stanu techniki różnego typu silniki zarówno spalinowe jak i napędzane czynnikiem ciekłym lub gazowym o ruchu tłoka posuwisto-zwrotnym lub obrotowym.

Pośród silników napędzanych cieczą możemy wyróżnić silniki obrotowe zębate i mimośrodowe z ruchomymi ł opatkami w wirniku, stosowane takż e, jako pompy olejowe oraz silniki o cylindrach promieniowych w układzie gwiaździstym.

Silniki spalinowe z wirującymi tłokami, i to zarówno silniki napędzane przez gaz lub ciecz pod ciśnieniem, są określane mianem silników toroidalnych. Znane są również urządzenia robocze z wirującymi tłokami, stanowiące na przykład sprężarkę toroidalną lub pompę toroidalną.

Konstrukcje silników z wirującymi tłokami powstały głównie w celu wyeliminowania niedogodności silników tłokowych, jak również uzyskania bardziej zwartych i lżejszych konstrukcji, a także obniżenia kosztów wykonania i eksploatacji. Obecnie tego rodzaju silniki nie znalazły jednak masowego zastosowania, z wyjątkiem silnika Wankla.

W odróż nieniu od silników obrotowych: pompy, kompresory i silniki spalinowe z tł okami poruszającymi się ruchem postępowo-zwrotnym mają powszechne zastosowanie, głównie dzięki prostym konstrukcjom działającym na zasadzie zamiany ruchu postępowo-zwrotnego tłoków na ruch obrotowy wału korbowego, posiadające dużą elastyczność poddawania się obciążeniom. Jednakże znaczne zużycie paliwa w tego typu silnikach spalinowych, będące wynikiem zużywania dużej ilości energii na pokonanie oporów tarcia oraz duża liczba ruchomych części silnika, jak również duża liczba pierścieni tłokowych, uszczelnień oraz kanałów dolotowych i wylotowych powodują poszukiwania konstruktorów, mających na celu opracowanie silnika o prostszej konstrukcji i lepszych walorach eksploatacyjnych.

Ograniczona jest również sprawność tłokowych silników spalinowych ze względu na wykonywanie w jednym cylindrze wszystkich faz cyklu roboczego,

Próby uzyskania podwyższonej sprawności komplikują znacznie konstrukcję silnika i podnoszą koszty jego wytwarzania.

Silnik Wankla znalazł zastosowanie w samochodach osobowych, jednak brak elastycznego poddawania się zmiennym obciążeniom w czasie jazdy ogranicza możliwości jego powszechnego zastosowania.

Znane są również inne silniki z tłokami wirującymi, na przykład wyposażone w cylinder toroidalny usytuowany w korpusie silnika oraz w umieszczony w nim wirnik z przymocowanymi do niego wirującymi tłokami poruszającymi się w cylindrze toroidalnym.

Znana jest ze zgłoszenia nr 347987 wielotłokowa maszyna wirnikowa, która może pracować, jako pompa, sprężarka lub silnik posiadająca dwa jednakowe wirniki z tłokami na obwodzie, przesuwającymi się w komorze roboczej wykonując ruch obrotowy.

W opisie patentowym nr 180814 przedstawione urządzenie robocze lub silnik, zwłaszcza spalinowy, z wirującymi tłokami, wyposażony w nieruchomy cylinder toroidalny, znajdujący się wewnątrz korpusu i zaopatrzony w szczelinę obrotową przedłużającą ten cylinder promieniowo w kierunku osi uderzenia oraz w przylegające do siebie przynajmniej dwa wirniki, usytuowane częściowo w tej szczelinie obwodowej i zaopatrzone na swym obwodzie w tłoki, wyposażone w uszczelki 1 poruszające się w cylindrze toroidalnym ruchem przyspieszanym i zwalnianym, tworzą c wewną trz cylindra toroidalnego ograniczone tymi tłokami komory robocze o zmieniającej się objętości, przy czym korpus urządzenia jest ponadto zaopatrzony w otwory wlotowe i wylotowe połączone kanałami z wnętrzem cylindra toroidalnego i doprowadzającymi czynnik, na przykład mieszankę paliwową, do - oraz odprowadzającymi inny czynnik, na przykład spaliny z tych komór roboczych, jak również jest wyposażone w osadzony obrotowo i współosiowy względem obydwu wirników wał napędowy. Wał napędowy ma postać wału obrotowego i jest zaopatrzony w mimośrodowe czopy, znajdujące się między łożyskami głównymi urządzenia i jego wirnikami.

PL 205 327 B1

W opublikowanym zgł oszeniu WO 02/092968 opisany jest silnik z wirują cymi w komorach wirnika tłokami posiadającymi płaty w formie czteroramiennej gwiazdy każdy, gdzie czynnik napędzający wywołuje ich ruch obrotowy.

W zgł oszeniu EP 1298284 przedstawiony jest osiowy obrotowy silnik, który posiada wykonany w korpusie pierścieniowy kanał oraz wirnik z wykonanymi na obwodzie komorami, w których osadzone są tłoki.

W zgł oszeniu WO 03/044368 opisana jest skrzydeł kowa pompa ciśnieniowa z kompensacją . Pompa posiada obrotowy wirnik osadzony w korpusie. Na obwodzie wirnika rozmieszczone są promieniowo w komorach z kompensacją łopatki wirnika. Pompa zaopatrzona jest także w obwody: zasilający i odprowadzający sprężany czynnik oraz zawory sterujące.

W opisie patentowym FR1170986 przedmiotem wynalazku jest oscylacyjna pompa ł opatkowa, która posiada stojan, kanał wlotowy i kanał wylotowy, skrzydełka oraz krzywki prowadzące. Krzywki prowadzące mają możliwość regulacji za pomocą śruby regulacyjnej. Komora utworzona w stojanie posiada określone krzywizny radialne uzupełnione częściowo krzywkami prowadzącymi. Na wirniku osadzone są łopatki. Rolą krzywek jest odpowiednie ustawienie radialne łopatek.

W opisie patentowym FR640856 opisana jest pompa lub sprężarka. Urządzenie posiada cylindryczny bęben oraz wirnik. W podcięciach wirnika umieszczone są niewahliwie cztery łopatki. Z jednej strony łopatki osadzone są na sworzniach a z drugiej na kołkach. Wymuszony pod wpływem ruchu obrotowego wirnika i siły odśrodkowej ruch łopatek odbywa się po krzywej toroidalnej, będącej wypadkową ruchu obrotowego wirnika, osadzonego mimośrodowo w pokrywach i ruchu krzywoliniowego kołków osadzonych w łopatkach i w wycięciu pierścieni, które umieszczone są w pokrywach.

Celem wynalazku jest opracowanie konstrukcji takiego silnika, zwłaszcza hydraulicznego, z wirującymi tłokami, które wyeliminuje niedogodności znanych dotychczas tego rodzaju urządzeń oraz pozwoli na uzyskanie dużej sprawności i wysokiego współczynnika przełożenia mocy.

Istotą rozwiązania według wynalazku jest to, że na wirniku silnika w komorach, na sworzniach osadzone są wahliwie tłoki bezwładnościowe w ilości nie mniej niż cztery korzystnie na łożysku ślizgowym, ponadto pomiędzy wirnikiem a korpusem silnika utworzona jest komora grawitacyjna oddzielona od wirnika obudową, przy czym obudowa składa się z co najmniej czterech segmentów mocowanych do korpusu silnika. Każdy segment obudowy komory grawitacyjnej zakończony jest korzystnie z jednego końca wpustem a z drugiego końca podwójnym wypustem tworząc na styku dwóch sąsiadujących ze sobą segmentów obudowy labiryntową szczelinę.

Silnik posiada także dwie pary okien kontrolnych, jedną parę okien kontrolnych pracy strefy biernej biegu tłoka bezwładnościowego oraz drugą parę okien kontrolnych strefy roboczej tłoka bezwładnościowego, przy czym każdy tłok bezwładnościowy posiada wykonany kanał smarowniczy do smarowania łożyska tłoka.

Dodatkowo wielkość komory grawitacyjnej posiada możliwość regulacji a regulacja wielkości komory grawitacyjnej odbywa się korzystnie za pomocą śruby regulacyjnej, przy czym zakres regulacji szczeliny komory grawitacyjnej wynosi od 2 mm do 20 mm.

Korzystnym jest, gdy silnik posiada co najmniej jeden kanał wlotowy czynnika roboczego do komory grawitacyjnej z obwodu wysokiego ciśnienia i co najmniej jeden kanał wylotowy z komory grawitacyjnej do obwodu niskiego ciśnienia.

Istotnym jest, że otwór kanału wlotowego obwodu wysokiego ciśnienia do komory grawitacyjnej znajduje się w odległości kątowej 5 ± 1° od strefy roboczej cyklu pracy tłoka bezwładnościowego. Natomiast kanał wylotowy z komory grawitacyjnej posiada komorę wylotową, która umieszczona jest w biernej strefie cyklu pracy tłoka bezwładnościowego, korzystnie komora wylotowa ma kształt ściętego stożka o podstawie elipsoidalnej o kącie wierzchołkowym w płaszczyźnie prostopadłej do osi obrotu wirnika o wartości maksymalnie 20° a średnica podstawy stożka w płaszczyźnie wyznaczonej przez oś obrotu wirnika i średnicę jego podstawy wynosi maksymalnie 70% szerokości tłoka bezwładnościowego.

Konstrukcja silnika według wynalazku zapewnia równomierne rozłożenie wszystkich sił bezwładności ruchomych części silnika, oraz stałą powtarzalność charakterystyk fizycznych poszczególnych faz pracy silnika. Zwarta budowa oraz prostota konstrukcji zapewnia silnikowi dużą trwałość i niezawodność. Badania wykazały, że skonstruowany silnik charakteryzuje się bardzo wysoką sprawnością oraz stałą prędkością obrotową, przy czym moc na wyjściu regulowana jest wielkością ciśnienia zasilania.

Wysoko impulsywny elektrohydrodynamiczny grawitacyjno-inercyjny silnik jest pokazany w przykł adzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój silnika prostopadł y do osi

PL 205 327 B1 jego wału, fig. 2 przekrój poprzeczny silnika, fig. 3 pokazuje fragment przekroju wirnika i komory grawitacyjnej a fig. 4 przedstawia silnik w widoku.

Silnik 1 zbudowany jest z korpusu 31 posiadającego w swojej podstawie otwory 18 do mocowania do podłoża lub ramy. Od czoła do korpusu 31 mocowana jest śrubami 25 pokrywa 2 korpusu 31. W korpusie 31 i pokrywie 2 na łożyskach 23 osadzony jest wał 3 z wirnikiem 4, przy czym łożyska 23 zamknięte są pokrywą przednią 24 i pokrywą tylną 21 łożysk za pomocą śrub 28. Wał 3 oraz wszystkie pokrywy zaopatrzone są w uszczelki zabezpieczające przed przeciekami oleju.

Na wirniku 4 w komorach 12 osadzone są wahliwie w łożyskach ślizgowych 16 na sworzniach 8 tłoki bezwładnościowe 7 w ilości czterech sztuk. Każdy tłok bezwładnościowy 7 zaopatrzony jest w kanał smarowniczy 15.

W korpusie 2 wykonany jest także obwód wysokiego ciśnienia 22 składający się z dwóch kanałów wlotowych 34 oraz obwód niskiego ciśnienia 17, posiadający kanał wylotowy 35 z komorą wlotową 36 w kształcie ściętego stożka o podstawie elipsoidalnej.

Pomiędzy w wirnikiem 4 a korpusem 31 silnika 1 utworzona jest komora grawitacyjna 5 oddzielona od wirnika 4 obudową 6, przy czym obudowa 6 składa się z czterech segmentów 14 mocowanych do korpusu 31 za pomocą śrub mocujących 9 i pierścieni dystansowych 27 oraz śrub regulacyjnych 10. Ponadto każdym segmencie 14 wykonany jest fasolkowy otwór regulacyjny 13 umożliwiający jednostronne przemieszczanie się segmentu 14, przy czym wielkość przemieszczenia ustalana jest śrubą regulacyjną 10. Dodatkowo każdy segment 14 obudowy 6 komory grawitacyjnej 5 zakończony jest z jednego końca wpustem 32 a z drugiego końca podwójnym wypustem 33 tworząc na styku dwóch sąsiadujących ze sobą segmentów 14 obudowy 6, labiryntową szczelinę 11.

W pokrywie 2 wykonane są dwie pary okien kontrolnych 20, jedna para naprzeciwległych okien kontrolnych 20 pracy strefy biernej biegu tłoka bezwładnościowego 7 oraz druga para naprzeciwległych okien kontrolnych 20 strefy roboczej tłoka bezwładnościowego 7. Każde okno kontrolne przysłonięte jest pokrywą okna 19, mocowaną do pokrywy 2 korpusu 31 śrubami 26.

Silnik 1 zasilany jest olejem z zewnętrznej pompy zasilającej o ciśnieniu nominalnym do 65 Mpa. Olej pod ciśnieniem wtłaczany jest do obwodu wysokiego ciśnienia 22 i dwoma kanałami wlotowymi 34 wprowadzany jest do komory grawitacyjnej 5, przy czym otwory kanałów wlotowych 34 umieszczone są 5° przed strefą roboczą tłoka bezwładnościowego 7. Komora wylotowa 36 oleju do kanału wylotowego 35 zlokalizowana jest w strefie biernego cyklu pracy tłoka bezwładnościowego 7. W komorze grawitacyjnej 5 następuje duża kumulacja energii, której parametry regulowane są poprzez odpowiednie ustawienie i regulację segmentów 14 obudowy 6. Każdy tłok bezwładnościowy 7 przechodzi przez dwa cykle pracy - cykl roboczy i cykl bierny.

Stosowane w opisie oznaczenia (1) - silnik (2) - pokrywa (3) - wał (4) - wirnik (5) - komora grawitacyjna (6) - Obudowa (7) - tłok bezwładnościowy (8) - sworzeń (9) - śruba mocująca (10) - śruba regulacyjna (11) - szczelina labiryntowa (12) - komora (13) - otwór regulacyjny (14) - Segment obudowy (15) - kanał smarowniczy

PL 205 327 B1 (16) - łożysko (17) - obwód niskiego ciśnienia (18) - otwór (19) - pokrywa okna kontrolnego (20) - okno kontrolne (21) - pokrywa tylna (22) - obwód wysokiego ciśnienia (23) - łożysko (24) - pokrywa przednia (25) - śruba pokrywy (26) - śruba pokrywy okna kontrolnego (27) - pierścień dystansowy (28) - śruba (31) - korpus (32) - wpust (33) - wypust (34) - kanał wlotowy (35) - kanał wylotowy (36) - komora wylotowa

Claims (14)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Wysoko impulsywny elektrohydrodynamiczny grawitacyjno-inercyjny silnik zamkniętego cyklu posiadający korpus, wał z osadzonym na nim co najmniej jednym wirnikiem z wykonanymi na jego obwodzie komorami, tłoki ze sworzniami, obwód niskiego i wysokiego ciśnienia, otwór wlotowy i wylotowy czynnika, pokrywy, łożyska, uszczelki oraz śruby mocujące, znamienny tym, że na wirniku (4) silnika (1) w komorach (12), na sworzniach (8) osadzone są wahliwie tłoki bezwładnościowe (7) w ilości nie mniej niż cztery.
2. 2. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiędzy wirnikiem (4) a korpusem (31) silnika (1) utworzona jest komora grawitacyjna (5) oddzielona od wirnika (4) obudową (6), przy czym obudowa (6) składa się z co najmniej czterech segmentów (14) mocowanych do korpusu (31) silnika (1).
3. 3. Silnik według zastrz. 2, znamienny tym, że każdy segment (14) obudowy (6) komory grawitacyjnej (5) zakończony jest z jednego końca wpustem (32) a z drugiego końca podwójnym wypustem (33) tworząc na styku dwóch sąsiadujących ze sobą segmentów (14) obudowy (6) labiryntową szczelinę (11).
4. 4. Silnik według zastrz. 2, znamienny tym, że wielkość komory grawitacyjnej (5) posiada możliwość regulacji.
5. 5. Silnik według zastrz. 4, znamienny tym, że regulacja wielkości komory grawitacyjnej (5) odbywa się za pomocą śruby regulacyjnej (10) przy czym zakres regulacji szczeliny komory grawitacyjnej (5) wynosi od 2 mm do 20 mm.
6. 6. Silnik według zastrz. 2, znamienny tym, że posiada co najmniej jeden kanał wlotowy (34) czynnika roboczego do komory grawitacyjnej (5) z obwodu wysokiego ciśnienia (22).
7. 7. Silnik według zastrz. 6, znamienny tym, że otwór kanału wlotowego (34) obwodu wysokiego ciśnienia (22) do komory grawitacyjnej (5) znajduje się w odległości kątowej 5°±1° od strefy roboczej cyklu pracy tłoka bezwładnościowego (7).
8. 8. Silnik według zastrz. 2, znamienny tym, że posiada co najmniej jeden kanał wylotowy (35) czynnika roboczego z komory grawitacyjnej (5) do obwodu niskiego ciśnienia (17).

   PL 205 327 B1
9. 9. Silnik według zastrz. 8, znamienny tym, że kanał wylotowy (35) posiada komorę wylotową (36) czynnika z komory grawitacyjnej (5), przy czym komora wylotowa (36) znajduje się w biernej strefie cyklu pracy tłoka bezwładnościowego (7) i ma kształt ściętego stożka o podstawie elipsoidalnej.
10. 10. Silnik według zastrz. 9, znamienny tym, że kąt wierzchołkowy utworzonego stożka w komorze wylotowej (36) w płaszczyźnie prostopadłej do osi obrotu wirnika (4) wynosi maksymalnie 20°.
11. 11. Silnik według zastrz. 10, znamienny tym, że średnica podstawy utworzonego stożka w komorze wylotowej (36) w płaszczyźnie wyznaczonej przez oś obrotu wirnika (4) i średnicę podstawy stożka wynosi maksymalnie. 70% szerokości tłoka bezwładnościowego (7).
12. 12. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że posiada dwie pary okien kontrolnych (20), jedną parę okien kontrolnych (20) pracy strefy biernej biegu tłoka bezwładnościowego (7) oraz drugą parę okien kontrolnych (20) strefy roboczej tłoka bezwładnościowego (7).
13. 13. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że każdy tłok bezwładnościowy (7) posiada wykonany kanał smarowniczy (15) do smarowania sworznia (8).
14. 14. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że tłoki bezwładnościowe (7) zaopatrzone są w łożysko ślizgowe (16).