Електричний теплоакумуляторний інерційний паровий двигун – агрегат вижленкова

Електричний теплоакумуляторний інерційний паровий двигун-агрегат, який містить електрогенератор, компресор, шестерінчасто-насосний агрегат, тепловий акумулятор, бак, балони і трубну арматуру, який відрізняється тим, що тепловий акумулятор-випаровувач з електричним розігрівом виконаний у вигляді масивного металевого циліндричного елемента з внутрішньою кільцевою порожниною і отворами зі спіралями у теплостійкому заповненні, важкоплавкими трубками і віссю у горизонтально-повздовжній трубчастій гільзі, що разом знаходяться у теплоізоляційному корпусі і роз 42868 енергія перетворюється у енергію тиску перегрітого пару, який утворюється з води, що надходить по трубках всередину кільцевої порожнини теплоакумулятора. Циліндро-роторний пристрій виконано у вигляді кільцевого корпуса і циліндро-роторного вантажного колеса. Кільцевий корпус, укріплений на опорній рамі, має всередині кільцеву порожнину з верхньою дугоподібною наскрізною щіллю і нижнім наскрізним радіально-горизонтальним отвором з трубкою, внутрішнє кільце також з наскрізною щіллю і співвісним нижнім отвором. Кільцевий корпус торцевою стороною скріплено стяжними болтами з герметичним циліндром металевого елементу, а з протилежного боку зачинено кришкою, що має осьовий отвір з фланцевим ущільненням. Циліндро-роторне вантажне колесо розміщено у кільцевому корпусі і виконано у вигляді маточини з трьома радіальними стрижнями і трубчастим хвостовиком, встановленим у підшипниках, укріплених на горизонтально-опорному валу. На радіальних стрижнях маточини знаходяться циліндри, укріплені ззовні кільцями і прикріплені до торцевого фланця сферичної напівкулькової оболонки металевого елемента. Кожний циліндр має три наскрізних отвори, два з яких, бічний і осьовий, знаходяться уверху і один унизу. Вер хній бічний отвір, за допомогою металевої трубки з'єднано з радіально-гоизонтальним отвором (каналом) у циліндричному ободі, а верхній осьовий отвір знаходиться у кришці циліндра, який всередині має поршень вантаж з ущільнюючими кільцями і дві пружини. Трубчастий хвостовик маточини розміщено також у корпусі одноступінчастого редуктора, де на трубчастому хвостовику укріплено зубчасте колесо, яке напресоване на підшипник і на горизонтальну опорну вісь. Циліндро-роторний пристрій і, безпосередньо, циліндро-роторне вантажне колесо є приводом, тобто перетворювачем енергії тиску перегрітого пару у механічну енергію, обертаючий момент, який через редуктор передається на загальний трансмісійний вал. Інерційна система складається з маховика, тобто акумулятора, накопичувача механічної енергії, виконаного у вигляді фасонного або збірного спірального кільцевого масивного диска, укріпленого на трансмісійному валу і розміщеного у герметичному (вакуумному) корпусі з автономним електроприводом. Автономний електропривод інерційного маховика складається з шестерінчастого підвищуючого редуктора з конічними фрикційними і ролико-обгіними муфтами на трансмісійному валу. Розкручений до великого числа обертів, масивний маховик накопичує значну кінетичну енергію, яка також може реалізуватися у р ухаючу силу спільно з рухаючою силою обертаючогося циліндророторного вантажного колеса. Інерційна система є другою головною технічною ознакою пропонованого винаходу. На транспортних машинах середньої і малої потужності трансмісійний вал двигуна-агрегата безпосередньо з'єднується з коробкою передач, з передачею обертаючого моменту на колісну вісь машини, а на транспортних засобах великої потужності, на їх ведучи х осях доцільно встановити привідні електродвигуни, які будуть працювати за рахунок електроенергії, що виробляється одним генератором, встановленим на трансмісійному валу двигуна-агрегата. Для збільшення кінетичної енергії інерційного маховика треба збільшити його масу, діаметр і кількість обертів, а для збільшення друхомлюючої сили циліндро-роторного колеса треба збільшити його діаметр, масу поршнів (вантажів) та їх пересування (до центру). При розробці конкретних різновидів двигунаагрегата, на базі пропонованого, в основу повинна бути прийнята розрахункова функціональна залежність сумарної кінетичної енергії від геометричних і фізико-технічних параметрів двигунаагрегата: å Ek= . f ( m к , m и , d ц. к , d и , n обк , р м р м р. pп. р, q г , d г , l п , n об.п. р ), [Дж ], ц п п п и. м де: mк - маса циліндро-роторного колеса двигур на [кг]; m и - маса інерційного маховика [кг]; м d ц.к - діаметр роторного колеса [м]; р d и - діаметр інерційного маховика [м]; м nоб. - кількість обертів роторного колеса [об/с]; р.к pп.р - тиск пара в циліндрі циліндро-роторного ц колеса [Па]; d г - діаметр поршня-вантажа [м]; п l п - довжина пересування поршня у циліндрі п роторного колеса [м]; . nобмп.р - кількість обертів попередньо розкручеи. ного інерційного маховика [об/с]. Точна перевірка вище перерахованих параметрів повинна здійснюватися при дослідженні і проектуванні. Водо-парова система виконана у вигляді бака, двох місткостей з електроспіралями (тенами) всередині, насоса з водо-трубною розводкою, які забезпечують подачу води у тепло-акумулятор (випаровувач). Пневмосистема виконана у вигляді балонів із стиснення повітрям і пневмотрубчастої розводки, які розміщені під рамою двигуна-агрегата і забезпечують роботу двигуна-агрегата у разі надмірного охолодження тепло-акумулятора. Питання використання і розміщення двигунаагрегата на транспортних засобах повинно вирішуватися у процесі проектування, відповідно до технічних і економічних вимог до конкретної транспортної машини. Фіг. 2 - схема двигуна у профіль (без привода маховика, без компресора і водо-парової системи). Фіг. 3 - тепло-акумуляторний двигун у розрізі. Фіг. 4 - четвертична частина електро-металевого паро-теплового акумулятора у розрізі, фіг. 3. Фіг. 5 - розріз по А-А, фіг. 3. Фіг. 6 - розріз по Б-Б, фіг. 3. Фіг. 7 - розріз по В-В, фіг. 3. Фіг. 8 - розріз по Г-Г, фіг. 3. Фіг. 9 - половинчастий розріз по Д-Д, фіг. 4. Пропонований електро-металевий паро-тепловий акумуляторний двигун-агрегат складається з: 2 42868 електро-металевого паро-теплового акумулятора; циліндро-роторного пристрою: інерційного маховика; водо-парової системи; пневмосистеми; виконаних: електро-металевий паро-тепловий акумулятор у вигляді (фіг. 1, 2, 3, 4, 8, 9) металевого масивного циліндричного елемента і запресованого у металевий теплоізоляційний кожух 2, з теплоізоляційними прокладками 3, 4, обкладкою 5 і металевим кільцем 6 розміщеним всередині герметично-зачиненого циліндра 7 з торцевими фланцями, укріпленими на опорній фундаментній рамі. Металевий елемент має горизонтальний осьовий отвір з запресованою у ньому продольно-трубчастою гільзою 8 і розділяючою теплоізоляційною прокладкою 9. Всередині продольно-трубчастої гільзи вільно знаходиться опорна вісь 10, яка одним кінцем укріплена у корпусі 11 редуктора 12, а протилежним кінцем укріплена у вертикальній тумбовій опорі 13. Металевий елемент всередині також має камерно-кільцеву порожнину 14, два горизонтальних отвори малого діаметра, у котрих запресовано трубки 15 з тугоплавкого метала і три ненаскрізних отвори під кутом 120 градусів, діаметром приблизно рівним осьовому отвору, у яких розміщені з кварцовим ущільненням, електроспіралі 16. На зовнішньому боці, поверхні металевого кожуха, у місці знаходження камерно-кільцевої порожнини, встановлені (чотири) кільця - середні, 17 і 18 крайні ліві, 19 і 20 з яких середнє і крайне ліве кільця мають радіальне кріплення, окрім того, середнє кільце має також один радіальний симетричний отвір 21. На металевий кожух надіто циліндричний обод 22 з радіально-горизонтальним отвором (каналом) 23 і утримуючим всередині кільце 24, з радіальним його кріпленням і одним наскрізним радіальним отвором у кільці. Всередині обода запресована кришка 25, яка укріплена гвинтовими радіальними або горизонтальними ввертишамишпильками. Кришка має осьове сальникове ущільнення і полукулькову (сферичну) оболонку 26 з її торцевими фланцами. Циліндро-роторний пристрій (фіг. 3, 5, 6, 7) складається з: кільцевого корпуса 27 і циліндророторного вантажного колеса, розміщеного у кільцевому корпусі. Кільцевий корпус має всередині по колу кільцеву порожньотілу порожнину 28 з верхньою дугоподібною наскрізною щіллю 29 (з кутом по колу) і нижнім наскрізним радіальним отвором 30 і радіально-горизонтальним отвором 31 з трубкою 32. Всередині кільцевого корпуса укріплено кільце 33 також з наскрізною щіллю (під кутом a) і таким же нижнім отвором, що й у кільцевому корпусі. Кільцевий корпус з одного терцового його боку скріплено стяжними болтами 34 з герметично зачиненим циліндром металевого елемента, а з протилежного торцового боку зачинено кришкою 35, маючою осьовий отвір з фланцевим ущільненням. Кільцевий корпус встановлено на опорній фундаментній рамі. Циліндро-роторне вантажне колесо (фіг. 3, 5, 6, 7) виконано у вигляді маточини 36 з радіальними трьома стрижнями 37 і трубчастим хвостовиком 38 встановленій на кулькопідшипниках, укріплених на горизонтально-опорній осі. На радіальних стрижнях укріплені циліндри 39, до яких з зовнішнього боку прикріплені два кільця (ободи) 40 і 41, а також циліндри, прикріплені до торцового фланця 42 сферичної-полукулькової оболонки металевого елемента. Кожний циліндр має три наскрізних отвори, з яких два, бокове 43 і осьове 44, знаходяться уверху і одне унизу 44a. Верхній боковий отвір за допомогою металевої трубки з'єднано з радіально-горизонтальним отвором (каналом) у циліндричному ободі, а верхній осьовий отвір знаходиться у кришці циліндра. Всередині кожного циліндра мається поршень 45 (вантаж) з ущільнюючим кільцем і дві пружини 46 і 47. Трубчастий хвостовик маточини розміщено у осьовому отворі кришки кільцевого корпуса і ущільнено сальниковим ущільненням і також розміщено у корпусі одноступінчастого редуктора. На трубчастому хвостовику укріплено зубчасте колесо 48, яке напресовано на підшипник, а даний підшипник напресовано на горизонтальну опорну вісь. Інерційний маховик 49 (фіг. 1, 2) являє собою фасонний пластинчасто-пружинний кільцевий диск, укріплений на трансмісійному валу 50 редуктора 51 генератора 52 і розміщений у герметично зачиненому кожусі 53. Інерційний маховик має також і автономний електропривід, який складається з електродвигуна 54 редуктора 55 і конічної фрикційної муфти 56, а також двох зубчасто-конічних шістерней 57 і 58 (на трансмісійному валу), розміщених у зачиненому корпусі 59. На трансмісійному валу встановлено три конічні фрикційні муфти 60, 61 і 62, а також одна кулько-обгінна муфта 62 a. Водо-парова система (фіг. 1) виконана у вигляді бака 63, двох місткостей 64 і 65 з електроспіралями і насосної станції 66, 66a з трубною розводкою 67, 68 і арматури (зворотні клапани 69, вентилі 70 і 71) і колектор 72 (фіг. 1). Пневмо-система (фіг. 1, 2) виконана у вигляді компресора 73, пневмо-трубної розводки 74, арматури (вентиль 75 і т. д.) і кількох місткостей (балонів) 76, розміщених під рамою двигательного агрегата. На кресленнях: фіг. 1 позиції: 77 – електрокабель; 78 - ввідний електрокабель (фідер); 79 і 80 - електропускові щити; 83 – інжектор; 84 – вентиль; 85 - кран; фіг. 3, 4, 8 позиція 81 - кришка; фіг. 9 позиція 82 - болт. Пропонований двигун-агрегат при проектуванні і конструктивній доводці його вузлів і деталей повинен бути також оснащений усією необхідною пусковою, регулюючою і контролюючою автоматичною апаратурою з максимальним використанням електроніки. Примітка: Пропонований двигун-агрегат може розміщуватися, як безпосередньо у кузові дорожньо-транспортної машини, так і встановлюватися на причіпний до дорожньо-транспортної машини візок. Запит по розміщенню (встановленню) двигунаагрегата повинен вирішува тися при проектуванні і у залежності від призначення конструкцій і технічних параметрів дорожньо-транспортної машини. Для рухомих засобів річкового і морського флотів (невеликих катерів і різноманітного призначення підводних рухомих апаратів і т. д.), то для таких рухомих засобів не потрібен бак для води 63. Принципи дії. 1. Попередня екіпіровка. Попередньо повинна бути здійснена екіпіровка двигательного агрегата, яка полягає у нагріві електричним струмом мета 3 42868 левого елемента 1, а також наповненні водою бака 63 і двох місткостей 64 і 65, наповненні балонів 76 стисненим повітрям і розкручуванні інерційного маховика 49. Екіпіровка здійснюється наступним чином: підключається кабельний фідер 78 (фіг. 1) у розетку електрощита, електричний струм надходить до електропускового автомату 79, встановленого у кабіні двигательної установки, від котрого струм іде у нагревателі 16 (фіг. 3, 4), котрі й здійснюють нагрів металевого масивного елемента 1. Здійснюється порівняно швидке наповнення (зарядка) балонів 76 стислим повітрям, для чого до патрубка 84 (фіг. 1) з краном приєднується шланг, від зарядної компресорної станції. При відсутності компресорної станції наповнення балонів 76 здійснюється компресором 73 двигунаагрегата, який також вмикається від електропускового автомата 79 і здійснює наповнення балонів 76 стислим повітрям високого тиску. Наповнені балони 76 (разом) будуть служити резервним повітряним акумулятором. При повному наповненні балонів 76 компресор 73 автоматично вимикається. Від електропускового автомата 79 вмикається і автономний привід інерційного маховика 49, який складається з: електродвигуна 54 підвищуючого оберти (розгінного), редуктора 55, конічної сцепної муфти 56 і конічних зубчасти х шістерней 57 і 58. При вмиканні автономного привода інерційного маховика 49 попередньо автоматично вимикаються конічні муфти зачеплення 60 і 62 (фіг. 2) і тільки після цього здійснюється обертання (розгін) інерційного маховика 49, до максимальних обертів, а потім автоматично автономний привід вимикається, тобто конічна зубчаста муфта 56 автоматично вимикається, а конічні муфти зчеплення 60 і 62 автоматично вмикаються. Металевий нагрівальний елемент 1, досягнувши максимальної температури нагріва, також автоматично вимикається. Уся дана екіпіровка здійснюється одночасно. Одночасно і вода у місткостях 63, 64 і 65 попередньо нагрівається електричними нагрівателями (спіралями), встановленими всередині їх. Після цих попередньо здійснених операцій двигательна установка готова до роботи. Розкручений інерційний маховик 49 попередньо обертає головний трансмісійний вал 50, і циліндро-роторне вантажне колесо, зі сферичною поверхнею 26 і циліндричним ободом 22, а також, через редуктор 51, і генератор 52. Екіпіровка електроенергією катерів може здійснюватися на причалах, у портах або спеціальних причальних пунктах, а також за допомогою катера, маючего на своєму борту відповідну електростанцію. Основний принцип дії Відкривається вентиль 71 і гаряча вода (з насиченим паром) із місткості 65 поступає у колектор 72, з котрого автоматично по двох тугоплавких трубках 15 поступає у розігрітий металевий елемент 1, де гаряча вода (з насиченим паром) миттєво перетворюється у перегрітий пар і поступає у кільцеву порожнину 14 (парозбірник-пароперегреватель), з пароперегревателя під великим тиском перегрітий пар надходить у радіальний отвір (канал) 21 і при сполученні радіального отвора 21 з радіально-горизонтальним отвором 23 і 23a у циліндричному ободі 22 металевого елемента і перегрітий пар по трубці 43 миттєво надходить до од ного з циліндрів 39 циліндро-роторного вантажного колеса. У цю мить поршень 45, стискуючи спіральну пружину 46 і витискує, через нижній отвір 44a конденсат, можливо з'являючийся у нижній порожнині циліндра 39, миттєво переміщується в направленні центру колеса, пружина 47 розтискується, а тому що поршні-вантажі 45 у інших двох циліндрах 39 переважують, рівновага порушується і циліндро-роторне колесо продовжує обертатися зі значним прискоренням. При сполученні верхнього осьового отвора 44 у кришці циліндра 39 з дугоподібною наскрізною щіллю 29 пар із циліндра 39 витискується і переходить у порожньотілу порожнину 28 кільцевого корпуса 27, де конденсується і стікає через отвори 30 і 31 у трубку 32, укріплену у кільцевому корпусі 27 і по трубках 68, 67 стікає у місткість (бак) 66a насосної установки 66. Одночасно, при сполученні верхнього осьового отвору 44 у кришці циліндра 39 (фіг. 6) з дугоподібною наскрізною щіллю 29, під дією нижньої пружини 46 і відцентрової сили розвиваємої циліндро-роторним колесом, поршень (вантаж) 45 переміщується у початкове положення. У наступному циліндрі по ходу обертання циліндро-роторного колеса, цикл аналогічно повторюється. Циліндро-роторне вантажне колесо за допомогою зубчастого колеса 48 обертає головний трансмісійний вал 50 разом з інерційним маховиком 49, конусними фрикційними муфтами зчеплення 60, 61 і 62, і через редуктор 51 рухає і вал генератора 52, який виробляє електроенергію, яка у свою чергу надходить на розподільний електрощит 80 і може подаватися до тягових двигунів наземно-транспортних машин, або привідних електродвижителей водного і повітряного транспорту. Для нормальної роботи двигуна-агрегата необхідно, щоб радіально-горизонтальний отвір 23, 23a у циліндричному ободі 22 металевого елементу було виконано під кутом j=45 градусів відносно вертикальної осі кільцевого корпуса 27. Для того, щоб перегрітий пар не виходив поміж кожухом 2 і циліндричним ободом 22, передбачено встановлення двох кілець 19 і 20. Обертання роторного вантажного колеса 26 і інерційного маховика 49 може бути одночасно-сполученим або окремо-обгоняючим. При окремому обертанні накопичений інерційним маховиком обертаючий момент буде використовуватися, окремо, у обертаючий момент, розвиваємий на головному трансмісійному валу 50 двигуна-агрегата і, у цей момент, тягова сила буде використовуватися тільки від обертання інерційного маховика 49, а вантажне циліндро-роторне колесо буде полегшено розвивати кутову швидкість обертання і акумулювати енергію. Окремно-обгоняюче обертання інерційного маховика 49 може бути при його екіпіровці, а також при невеликих навантаженнях і великих швидкостях обертання попередньо розкрученого маховика, значно більше обертів циліндро-роторного вантажного колеса 26 і може здійснюватися (виникати) при наявності роліко-обгонної муфти 62a на привідному трансмісійному валу 50. При значних тягових навантаженнях буде здійснюватися звичайне обертання циліндро-роторного колеса і інерційного маховика 49, і обертаючий момент маховика 49 буде реалізовуватися додатково у сумарний момент, одночасно розвиваємий циліндро 4 42868 роторним колесом 26 і інерційним маховиком 49. При невеликій потузі двигуна-агрегата попереднє розкручування (розгін) інерційного маховика 49 може також здійснюватися безпосередньо електрогенератором 52, котрий підключається до електромережі і, у цей момент, може працювати, як електродвигун і попередньо обертати інерційний маховик 49. При невеликому навантаженні двигательної установки, або при різноманітних зупинках транспортного засобу, коли трансмісійний вал 50 продовжує обертатися, енергія, виробляєма генератором 52, буде надходити у електронагрівателі 16, тобто також для нагріва металевого елемента 1 і підігрівати воду у місткостях 64 і 65, а також для роботи компресора 73 і насоса 66. На випадок довготривалих перегонів, або при длительних зупинках транспортного засобу, коли металевий елемент може охолонути, а інерційний маховик 49 зупинитися, а також на випадок відсутності у баці 63 води передбачено у конструктивній компоновці двигательної установки балони 76 із стиснутим повітрям високого тиску. При попередньо зачиненому вентелі 71 відкривається вентиль 75, стиснене повітря з балонів 76 по повітропроводу 74 буде надходити у колектор 72 і з нього автоматично по трубках 15 буде надходити у кільцеву порожнину 14 металевого елемента 1, а потім, також, як і перегрітий пар у циліндри 39 і при цьому циліндро-роторне вантажне колесо буде обертатися, обертати головний трансмісійний вал 50 з інерційним маховиком 49 і обертати генератор 52. Електроенергія. виробляєма генерато ром 52, буде надходити у тягові двигуни, встановлені на ходових осях, при роботі яких їх обертаючий момент буде перетворюватися у силу тяги транспортного засобу. При обертанні циліндро-роторного вантажного колеса повітря з порожнини 28 кільцевого корпусу 27 по трубці 32, через попередньо відкритий повітряний кран 85 виходить у а тмосферу. В залежності від потужності двигательної установки довжина руху транспортного засобу може досягати від десятків до сотень кілометрів при одній екіпіровці двигательної установки. Техніко-економічна ефективність Пропоноване технічне рішення дозволить: 1. Обладнати різноманітні транспортні засоби більш економічним приводом. 2. Виключити використання рідкого або газоподібного видів палива, що дозволить досягати значної сумарної економії, а також виключити забруднення навколишнього середовища безпосередньо транспортними засобами. 3. Використання у пропонованому винаході інерційної системи дозволить накопичувати додаткову енергію, полегшити роботу ціліндро-роторного вантажного колеса. 4. Здійснювати розгін інерційного маховика також і від генератора, що дозволить зменшити час, необхідний для екіпіровки. 5. Встановлювати багатосекційні теплоакумулятори, сумарний геометричний об'єм і маса яких не буде перевищувати об'єм і масу одинарного тепло-акумулятора, що дозволить досягти більш раціонального використання електроенергії. Фіг. 1 5 42868 Фіг. 2 Фіг. 3 6 42868 Фіг. 4 Фіг. 5 7 42868 Фіг. 6 Фіг. 7 8 42868 Фіг. 8 Фіг. 9 9 42868 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 10