RU2190122C2

RU2190122C2 - Spiral-rod engine

Info

Publication number: RU2190122C2
Application number: RU2000128384/06A
Authority: RU
Inventors: В.В. Белянин; Е.В. Белянина
Original assignee: Белянин Владимир Васильевич; Белянина Екатерина Владимировна
Priority date: 2000-11-15
Filing date: 2000-11-15
Publication date: 2002-09-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering; engines. SUBSTANCE: proposed engine has housing, piston, rods and outlet member in form of gear wheel. Rods are installed opposite to each other for turning around their axis at longitudinal movement. Spiral surfaces forming polyhedron are made on outer surfaces of rods. Some spiral surfaces are in contact with housing, and others, with outlet member. Overrunning clutches are installed between outlet member and spiral surfaces for one-side transmission of torque. Kinematic member in contact with spiral surfaces is made in form of shafts. EFFECT: increased efficiency. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к энергетике, а именно к тепловым двигателям, преобразующим кинетическую энергию расширяющихся газов сгораемого топлива в механическую работу. К двигателям, у которых продольное перемещение поршня от давления расширяющих газов преобразуется во вращательное движение выходного звена. Изобретение может использоваться в любых механизмах, преобразующих продольное движение поршня во вращательное движение выходного звена (паровая машина, двигатель Стирлинга и т.п.). The invention relates to energy, and in particular to heat engines that convert the kinetic energy of the expanding gases of combustible fuel into mechanical work. To engines in which the longitudinal movement of the piston from the pressure of the expanding gases is converted into the rotational movement of the output link. The invention can be used in any mechanisms that convert the longitudinal movement of the piston into the rotational movement of the output link (steam engine, Stirling engine, etc.).

Известна конструкция поршневого двигателя внутреннего сгорания, у которого цилиндры с поршнями расположены на одной оси напротив друг друга и соединены между собой штоком. В середине шток соединен с коленвалом, преобразующим поступательное движение поршней во вращательное движение маховика (см. а/с 118471). A known design of a piston internal combustion engine, in which the cylinders with pistons are located on the same axis opposite each other and are interconnected by a rod. In the middle, the stem is connected to the crankshaft, which converts the translational movement of the pistons into the rotational movement of the flywheel (see a / c 118471).

Недостатком названной конструкции является то, что при совершении поршнем рабочего хода, коленвал может сделать только полоборота и для дальнейшего вращательного движения требуется использовать рабочий ход другого поршня или накопленную энергию вращения маховика. Указанный недостаток присутствует во всех механизмах, использующих кривошипно-шатунный механизм для преобразования поступательного движения во вращательное движение. The disadvantage of this design is that when the piston makes a working stroke, the crankshaft can make only half a revolution and for further rotational movement it is required to use the working stroke of another piston or the accumulated energy of rotation of the flywheel. This drawback is present in all mechanisms using a crank mechanism for converting translational motion into rotational motion.

Известны конструкции механизмов, в которых с целью преобразования поступательного движения поплавка во вращательное движение зубчатого колеса, используется шток со спиральными канавками, имеющими противоположное направление (см. а/с 1032210 и советский патент 2653, кл. 88 В3 1923 года). There are known designs of mechanisms in which, with the aim of converting the translational movement of the float into the rotational movement of the gear wheel, a rod with spiral grooves having the opposite direction is used (see a / c 1032210 and Soviet patent 2653, class 88 B3 of 1923).

Недостатком указанных конструкций является то, что при обратном ходе поплавка и штока, зубчатое колесо после остановки также начинает вращаться в обратном направлении. Кроме того, высокое удельное давление, действующее на пальцы, вызывает заклинивание подшипников, приводящее к поломке механизма. The disadvantage of these designs is that with the reverse stroke of the float and rod, the gear wheel after stopping also starts to rotate in the opposite direction. In addition, the high specific pressure acting on the fingers causes the bearings to seize, resulting in a breakdown of the mechanism.

Заявляемое изобретение направлено на устранение вышеупомянутых недостатков, и от его использования может быть получен следующий технический результат - увеличение коэффициента полезного действия поршневого двигателя путем увеличения частоты вращения выходного звена при продольном перемещении поршня во время рабочего хода. The invention is aimed at eliminating the aforementioned disadvantages, and the following technical result can be obtained from its use - increasing the efficiency of a piston engine by increasing the speed of the output link during longitudinal movement of the piston during the stroke.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в спирально-штоковом двигателе штоки расположены друг против друга с возможностью поворота вокруг своей оси при продольном перемещении, на наружной поверхности каждого из которых выполнены спиральные поверхности противоположного направления, одни из которых через кинематическую связь контактируют с корпусом, а другие - таким же образом с выходным звеном. Между последним и спиральной поверхностью расположена муфта свободного хода для односторонней передачи крутящего момента. Кинематическая связь между спиральными поверхностями, образующими многогранник, и корпусом осуществляется посредством валов, установленных в корпусе на подшипниках. Кинематическая связь между спиральными поверхностями противоположного направления и выходным звеном осуществляется также через валы и через муфту свободного хода. The specified technical result is achieved due to the fact that in the spiral-rod engine, the rods are located opposite each other with the possibility of rotation around its axis during longitudinal movement, on the outer surface of each of which spiral surfaces of the opposite direction are made, some of which are in contact with the housing through a kinematic connection and others in the same way with the output link. Between the latter and the spiral surface there is a freewheel for one-way transmission of torque. The kinematic connection between the spiral surfaces forming the polyhedron and the housing is carried out by means of shafts mounted in the housing on bearings. The kinematic connection between the spiral surfaces of the opposite direction and the output link is also carried out through the shafts and through the freewheel.

На фиг. 1 изображен общий вид штокового двигателя в разрезе; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1. In FIG. 1 shows a sectional general view of a rod engine; figure 2 is a section aa in figure 1.

Спирально-штоковый двигатель состоит из корпуса 1, поршней 2, 3 со штоками 4, 5, которые расположены друг против друга с возможностью поворота вокруг своей оси при продольном перемещении. На наружной поверхности штоков 4, 5 выполнены спиральные поверхности 6, 7 противоположного направления. Спиральные поверхности контактируют с соответствующими валами 8, которые представляют собой кинематическое звено, служащее для взаимодействия одних из спиральных поверхностей 6 с корпусом 1, других спиральных поверхностей 7 противоположного направления с муфтой 10 и с выходным звеном - зубчатое колесо 9. Между выходным звеном и спиральными поверхностями 7 установлены вместе с кинематическим звеном муфты 10, 11 свободного хода для односторонней передачи крутящего момента. The spiral-rod engine consists of a housing 1, pistons 2, 3 with rods 4, 5, which are located against each other with the possibility of rotation around its axis during longitudinal movement. On the outer surface of the rods 4, 5, spiral surfaces 6, 7 of the opposite direction are made. The spiral surfaces are in contact with the corresponding shafts 8, which are a kinematic link that serves for the interaction of one of the spiral surfaces 6 with the housing 1, the other spiral surfaces 7 of the opposite direction with the coupling 10 and with the output link - a gear wheel 9. Between the output link and spiral surfaces 7 are installed together with the kinematic link of the freewheel 10, 11 for one-way torque transmission.

Спирально-штоковый двигатель предложенной конструкции работает, т.е. преобразовывает возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение выходного звена следующим образом: поршень 2 продольно перемещается от воздействия расширяющихся газов сгораемой топливо-воздушной смеси или от давления других энергоносителей (водяной пар, газ, жидкость), подаваемых в цилиндры двигателя. Поршень передвигает соответственно штоки 4, 5, которые за счет контакта спиральными поверхностями 6, через кинематическое звено (валы 8) с корпусом 1, поворачиваются вокруг своей оси. При своем вращении каждый шток 4, 5 поворачивает соответствующую муфту 10, 11 и находящееся с ними в зацеплении зубчатое колесо 9. Муфты 10, 11, контактируя установленными в ней валами 8 (кинематическое звено) со спиральными поверхностями 7 противоположного направления, также поворачиваются от воздействия силы, передвигающей каждый шток 4, 5. В результате того, что муфты 10, 11 и зубчатое колесо 9 вращаются со штоками, а также поворачиваются самостоятельно от взаимодействия со спиральными поверхностями противоположного направления, то угол их поворота увеличивается в два раза. The spiral-rod engine of the proposed design works, i.e. converts the reciprocating motion of the piston into the rotational motion of the output link as follows: the piston 2 moves longitudinally from the action of expanding gases of the combustible fuel-air mixture or from the pressure of other energy carriers (water vapor, gas, liquid) supplied to the engine cylinders. The piston moves the rods 4, 5, respectively, which, due to the contact with the spiral surfaces 6, through the kinematic link (shafts 8) with the housing 1, rotate around its axis. During its rotation, each rod 4, 5 rotates the corresponding coupling 10, 11 and the gear wheel 9 engaged with them. The couplings 10, 11, in contact with the shafts 8 (kinematic link) installed in it, with spiral surfaces 7 of the opposite direction, also turn from exposure the force that moves each rod 4, 5. As a result of the fact that the couplings 10, 11 and the gear 9 rotate with the rods, and also rotate independently from interaction with spiral surfaces in the opposite direction, their angle of rotation and doubles.

При конструктивном исполнении, когда шаги спиральных поверхностей левого 6 и правого 7 направлений равны и рабочий ход поршня 2, 3 равен шагу спиралей, то зубчатое колесо 9 будет совершать два полных оборота на один полный рабочий ход поршня. Для сравнения: применяемый в конструкциях поршневых двигателей внутреннего сгорания преобразователь возвратно-поступательного движения поршня (кривошипно-шатунный механизм) во вращательное движение выходного звена (маховик), позволяет на один полный рабочий ход поршня повернуть выходное звено только на половину оборота. With the design, when the steps of the spiral surfaces of the left 6 and right 7 directions are equal and the working stroke of the piston 2, 3 is equal to the step of the spirals, the gear 9 will make two full turns for one full working stroke of the piston. For comparison: the reciprocating piston converter (crank mechanism) used in the design of reciprocating internal combustion engines (rotor) of the output link (flywheel) allows you to rotate the output link only half a turn for one full piston stroke.

Эффективность преобразования продольной силы, передвигающей поршень, во вращение зубчатого колеса при указанном условии увеличивается в четыре раза. Изменяя величину шагов спиральных поверхностей и хода поршня, можно и изменять конечный результат. С увеличением шага спиральных плоскостей число оборотов выходного звена уменьшается, а величина крутящего момента увеличивается. И наоборот, величина крутящего момента уменьшается с уменьшением шага спиральных поверхностей, а число оборотов выходного звена увеличивается. The conversion efficiency of the longitudinal force moving the piston into the rotation of the gear wheel under this condition increases four times. By changing the magnitude of the steps of the spiral surfaces and the stroke of the piston, it is possible to change the final result. With an increase in the pitch of the spiral planes, the number of revolutions of the output link decreases, and the magnitude of the torque increases. Conversely, the magnitude of the torque decreases with decreasing pitch of the spiral surfaces, and the number of revolutions of the output link increases.

С целью возвращения поршня 2, штока 4 и муфты 10 в исходное положение для повторного совершения действия, продольно перемещается поршень 3. При его передвижении так же, как и при передвижении поршня 2, происходит преобразование продольной силы во вращение выходного звена 9, которое при этом не изменяет направление своего вращения, т.к. здесь в кинематическом звене содержится муфта свободного хода, передающая крутящий момент только в одну сторону. In order to return the piston 2, the rod 4 and the clutch 10 to its original position for repeated action, the piston 3 moves longitudinally. When it moves, as well as when moving the piston 2, the longitudinal force is converted into rotation of the output link 9, which does not change the direction of its rotation, because here in the kinematic link contains a freewheel, transmitting torque only in one direction.

Предлагаемая конструкция спирально-штокового двигателя позволяет значительно повысить коэффициент полезного действия и надежность тепловых двигателей, в которых продольное передвижение поршня преобразуется во вращательное движение выходного звена. Повышение коэффициента полезного действия означает получение большего количества механической работы при использовании меньшего количества топлива, что в свою очередь весьма благоприятно влияет на экологическое состояние окружающей природы за счет уменьшения выброса количества отработанных газов и снизить степень их токсичности. The proposed design of the spiral-rod engine can significantly increase the efficiency and reliability of heat engines, in which the longitudinal movement of the piston is converted into rotational movement of the output link. Increasing the efficiency means obtaining more mechanical work when using less fuel, which in turn has a very favorable effect on the environmental state of the environment by reducing the emission of exhaust gases and reducing their toxicity.

Использование изобретения на тепловых электростанциях позволит повторно использовать отработанный в турбинах водяной пар для вращения генератора электрического тока и производить его дополнительно к выработанному на турбинах. The use of the invention in thermal power plants will make it possible to reuse the water vapor spent in turbines to rotate an electric current generator and produce it in addition to that generated in turbines.

Весьма эффективным будет применение данного технического решения в конструкциях двигателей внешнего сгорания, где после рабочего хода необходимо поршню сделать остановку для охлаждения рабочего тела. The application of this technical solution in the construction of external combustion engines will be very effective, where after the working stroke the piston needs to make a stop to cool the working fluid.

Claims

1. Spiral-rod engine containing a housing, pistons, rods and an output link, which is a gear wheel, characterized in that the rods are mounted against each other with the possibility of rotation around its axis during longitudinal movement, on the outer surface of each of which are made a polyhedron spiral surfaces, some of which through the kinematic link are in contact with the housing, and others in the same way - with the output link, freewheels are located between the last and spiral planes for one-way torque transmission.

2. The spiral-rod engine according to claim 1, characterized in that the kinematic link in contact with the spiral surfaces is made in the form of shafts.