facebook
twitter
vk
instagram
linkedin
google+
tumblr
akademia
youtube
skype
mendeley
Page translation
 

Украина может сделать мощный технологический прорыв в области машин объемного вытеснения

Украина может сделать мощный технологический прорыв в области машин объемного вытеснения
Travnikov Yevgeniy, associate professor, candidate of technical sciences, associate professor

State University of Telecommunications, Ukraine

Conference participant

6П5.С91                                                                                                                                                                                 
УДК 621.514

В статье рассматриваются различные машины объемного вытеснения наибольшего распространения: двигатели внутреннего сгорания, компрессоры и гидравлические насосы. Показываетсяразнообразие конструктивных исполнений, которое можно резко сократить и с применением унификации получить большой экономический эффект.

Ключеые слова: Кинематические схемы и конструкции двигателей, области их применения.

Многие не понимают и громадные деньги в поршневые ДВС направляют,
А  эра их уже проходит и эра новых роторно-лопастных приходит.
ЕНИТ.  ХХ1 век

В настоящее время машины объемного вытеснения, к которым относят двигатели внутреннего сгорания -(ДВС), компрессоры и гидравлические насосы, получили громадное применение. ДВС устанавливают на всех автомобилях (легковых и грузовых), тракторах, морских судах и рефрижираторах и др. Компрессоры применяют на транспорте, промышленных предприятих и быту, а гидравлические насосы применяют для перекачки жидкостей (нефти, воды) в самых различных применениях.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)- это тип тепловой машины, в которой химическая энергия топлива (жидкого или газообразного), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу. К ним относят бензиновые, дизельные, газовые, газодизельные, роторно-поршневые, роторно-лопастные и комбинированные.

Компрессоры (лат. сжатие)- устройство для сжатия и подачи газов под давлением (воздуха, паров хладагента и т.д.).Компреесорная установка- совокупность компрессора, привода и вспомогательного  оборудования (газоохладителя, осушителя сжатого воздуха и т.д.). Компрессоры бывают поршневые, роторные, лопастные, вакуум-компрессоры и др.

Насосы - гидравлическая машина, преобразующая механическую энергию проводного двигателя для перемещения и создания напора жидкостей всех видов, механической смеси и сжиженных газов. Насосы бывают пластинчатые (шиберные), шестеренчатые, радиально-плунжерные, винтовые (шнековые), поршневые, центробежные, осевые, вихревые, роторные, струйные, диафрагменные, мембранные и др.

Все эти устройства могут быть объединены общим названием-машины объемного вытеснения (МОВ), где происходит вход газов, жидкостей с одной стороны, поступление их в рабочий орган, сжимающий их до нужной величины и выпуск далее их в потребитель (рис.О).В ВДС происходит поджог сжатой смеси и превращающий эту энергию (взрыв) в механическую работу. В остальных МОВ этого действа нет. При этом, МОВ для винтовых или шестеренчатых, где нет преобразования вида движения (вращательное во вращательное непрерывное) устройств содержит только рабочую зону и вход и выход из неё рабочих смесей или газа (рис. О,а). В МОВ, используемых для ДВС, обязательно находится ещё и механизм преобразования движения (МПД), в котором происходит преобразования вращательного движения вала (обычно коленчатого) в возвратно-поступательное поршня При этом обычно конструктивно МПД встроен в рабочую зону, имеют общий несущий корпус и др.(рис.0,б).Рассмотрим это более детально. Самые распространенные МОВ- это бензиновые, дизельные и газовые ДВС. Первый бензиновый ДВС изобрел конструктор Отто )1867г.) , второй- дизельный ДВС- Рудольф Дизель  (1887г.) и последний -роторно- поршневой (РПД) в 1957 году Феликс Ванкель (все немецкие инженеры По числу циклов рабочего тела- обычно поршня, ДВС различают на четырех тактные и двух тактные. Самым распространенным из них являются четырех тактные двигатели, где за полные четыре такта коленчатый вал соверщает два полных оборота (рис. 1). Работа четырех тактных ДВС известна по многим литератур­ным источникам, поэтому мы её рассматривать не будем. ДВС являются весьма несовершенным типом тепловых машин (низкий, не более 40% КПД, громкий шум, токсичные выбросы, меньший ресурс работы), но благодаря своей экономности (необходимое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы) очень широко распространены в транспортеных средствах. В поршневых двигателях камерой сгорания является цилиндр (чугунный), взрывная энер­гия передается возвратно-поступательному движению поршню, который через коленчатый вал пере­дает вращение валу зубчатой коробке передач и после через фрикционную муфту на задние или пе­редние колеса автомобиля.Бензиновые ДВС- смесь топлива с воздухом передается через карбю­ратор и клапан поддается в цилиндр, сжимается, а затем поджигается при помощи искры от свеси. Дизельные ДВС -топливо впрыскивается в цилиндр по высоким давлением и возгорает вследствие высокой температуры в камере.Газовые ДВС- как и бензиновый сжигает углеводородное топливо, находящееся в баллоне по давлением около 26 АТА, которое подается через газовый редуктор и вса­сывается в цилиндр и также в сжатом состоянии поджигается электрической искрой как в бензино­вых ДВС.

Роторно-поршневые ДВС.

Попытка устранить ряд недостатков поршневых ДВС привели в 1957 году немецкого инженера Фели кса Ванкеля к постоению новогороторно-поршневого двигателя (РПД), где вместо цилиндра и поршня был применен трехгранный (трехвершинный) ротор (рис.2) и сложной форме рабочей части корпуса -так называемой эпитрахоидальной. Ротор устанавливался на валу с эксце- нтриричным коленом (как коленвал), центральное неподвижное зубчатое колесо с внутренним зацепле-нием ротора обкатывалось отностельно центрального малого зубчатого колеса приводного вала. Этим создавалось сложное перекатывание трехвершинного ротора и последовательной заса­сывание рабочей смеси, её сжатие, взрыв (рабочий ход), продувание, т.е все четыре цикла порш­невого ДВС. Основное преимущество РПД Ванкеля перед классическими поршневыми ДВС состоит в высокой удельной мощности, имеет на 15-20% меньший вес и более компактен, отличается плав­ной характеристикой крутящего момента во всем рабочем диапазоне числа оборотов. Кроме того, отсутсвует сложный кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы, меньше вибри­рует . Но РПД Ванкеля имеет существенный недостаток линейный контакт уплотнителей ротора с рабочей поверхностью корпуса, что резко сокращает срок службы до ремонта- 300 тыс.км для япон­ских авто и 80-100 тыс. км для российских ВАЗ-415. Кроме того, при этом линейном контакте невоз­можно получить степень сжатия более 10 АТИ. Многие фирмы, купившие Лицензии (23 ) на Ванкеля, не спешат его выпускать, приберегают на «черный день. Ныне по дорогам мира бегают более 200 тыс. японских машин с двигателем Ванкеля.

Попытки устранения недостатков классических поршневых двигателей привели авторов статьи к разработкероторно-лопастного двигателя (РЛД), где вместо трехвершинного ротора применены бы­ли лопасти (рис.3). Это решение было защищено патентами Украины и России (см. литератур. В центре конструкции расположен (рис.3,а) механизм преобразования движения (МПД) приводного вала В1, на котором размещен жестко и наклонно двух конусный корпус 1, в диаметральной плос­кости которого размещен большого диаметра шарикоподшипник 2, внутреннее кольцо которого зафиксировано на корпусе . Наружное кольцо этого шарикоподшипника размещено фиксировано на кольце 3, которое в свою очередь установлено на двух полуосях 4 через небольшие шарикоподшип­ники в наружном кольце (квадратное с четырьмя лысками) 5. Полуоси ориентированы все время в плоскости приводного вала. Наружное кольцо установлено на двух шарикоподшипниках в несущем квадратном рамочном корпусе 5 и полувалах 6, на которых размещены фиксировано лопасти 7 (ро-. торы). Вокруг лопастей размещаются цилиндры, которые с лопастями образуют роторные блоки РБ1 и РБ2. Геометрические оси приводного вала В1 и полувалов роторных блоков находятся во вза­имно перпендикулярных плоскостях, поэтому при непрерывном вращении приводного вала В1 полу валы с лопастями совершают поворотное реверсивное движение каждый на углы порядка 60°. Лопа­сти совершают поворотные движения между двумя разделителями Р1 и Р2,которые и образуют ка­меры сгорания (сжатия) ДВС или компрессора. Если на полувалах расположены с двух сторон ротор ные блоки РБ1 и РБ2, то получаем двух цилиндровую четырех тактную МОВ. В предложенном конструктивном решении МОВ нет никаких кривошипно-шатунных механизмов, кроме того, эта конструкция выполнена модульного исполнения, т.е. модуль преобразования вращательного дви­жения в поворотное реверсивное (возвратно-поступательное) и модуль роторно-лопастной имеют свои несущие корпуса, сочленяемые отдельно. При применении одного роторного блока получаем одно цилиндровую МОВ (рис. 4). При любой модернизации каждый из модулей может усовешенствоваться, не вынуждая к переделке общего несущего корпуса при корпусном исполнении ранее известных ДВС, компрессоров и насосов, что является серьезным преимуществом. При непре­рывном вращательном движении приводного вала В1 получается компрессор или гидравлический насос, а при поворотно -возвратном движении, создаваемом в роторных блоках РБ1 и РБ2 , полу­чается самый настоящий ДВС, т.е. предлагаемая МОВ относится к обратимым устройствам. Кроме того, в модулях объемного вытеснения применен как в классических кривошипно-шатунных ДВС узко поверхностный контакт лопастей и цилиндрической поверхности корпуса камеры сжатия- -сгорания и др. (рис. 5). Т-образная форма сечения лопастей резко увеличивает жесткость и поверх- оность их.

Попытки устранить возвратно-поворотное движение лопастей и привести к геометрии однонапра­вленного вращения ротора как в ДВС Ванкеля, но с более простыми способами, привели авторов к новой конструкции (рис. 6). В ней применил ЕНИТ вращающийся постоянно наружный цили­ндрический корпус с внутренними двумя разделителями, между которыми скачко (прерывисто) об­разно перемещаются лопасти, ранее рассмотренные Т-образные с увеличенной поверхностью. Этот блок является модулем объемного вытеснения . С ним соединен через зубчатую передачу ЗКМ блок (модуль) прерывистого движения для начала типа «мальтийский крест», обеспечивающий за четыре оборота зубчатого колеса ЭД четыре прерывистых по 90° перемещения лопастей , т.е. полный четырех тактный цикл работы (без зажигания -компрессора или гидравлического насоса). Если вход и выход топлива (воздуха) расположены на одной геометрической оси, то все устройство будет относиться к центральной схеме построения (рис.7,б), а если со смещением параллельных осей- то будет относиться к ассиметричным (рис.7, в). Классической можно считать кинематическую схему компрессора осевого (центрального) построения (рис.8). Здесь общий проводной вал, на котором строится вся конструкция, имеет увеличенный диаметр и выполнен полым (с внутренним отверстием) и имеет внутри перегородку, разделяющую вход не сжатого воздуха и выход из модуля сжатого воздуха. Внутри цилиндра на лопастях ротора устанавливаются впускные и выпускные клапаны, которые можно размещать типа золотниковых внутри полого вала (по усмотрению разра­ботчиков).

 

Весь четырех тактный цикл (фазы) роторно-лопастного двигателя (РЛД) или компрессора под назва­нием «ТВИСТ» (Травников и сотоварищи) приведены на рис.9. Разрез по модулю объемного вытес­нения и общий вид конструкции «ТВИСТ» приведены на рис. 10,а и 10,б.Важное преимущество было получено в этой схеме, что в одном цилиндре мы получаем в параллель два четырех тактных цикла: одна и другая лопасть ротора за один оборот получает четыре цикла, а раз в параллель, то по­лучаем ещё сбалансированную схему по отношению к валу.

 

Подробнее конструкция РЛД «ТВИСТ» представлена на рис.11, макет которого был изготовлен и функционально проверен.

 

Интересное решение РЛД было предложено в РФ для автомобиля «Ё-маё» (рис.12), которое слегка изложено в материалах статьи и имеет какое-то сходство с «ТВИСТ».

 

ЕНИТ хорошо сознавал, что РЛД с мальтийским крестом годится только для демонстрационных целей, он не может быть реализован для промышленных изделий. Поэтому, чтобы реализовать отлич ную идею четырех тактного РЛД «ТВИСТ», надо мальтийский механизм заменить таким же решени­ем, как МОВ с вращающимся корпусом. «Кто ищет, то всегда найдет» оказалась поговорка верна и ЕНИТ нашел все же красивое и простое решение, годящееся для серийного внедрения. Здесь оно не приводится из-за отсутствия патентной защиты и когда она будет, читатели оценят красоту его. Еще одно интересное решение в РЛД «ТВИСТ» состоит в том, что самая трудоемкая и сложная де­таль -цилиндрический корпус предлагается применять их обширного по ГОСТ ряда чугунных гильз диаметром от 70 мм до 1050мм. через 20-50 мм для различных двигателей от автомобилей грузовых до дизельных ДВС рефрежераторов, речных и морских кораблей. Эти гильзы выполняются из высококачественных чугунных сплавов, имеют очень точный диаметр внутренней поверхности, азоторованный и закаленный слой порядка 0,5-1,5 мм с высокой чистотой поверхности (зеркальной). Если их длина будет для конкретной конструкции большая, возможно обрезать на нужную высоту самосто ятельно или на заводеизготовителе по договоренности. Эти гильзы проверены ультразвуковым конт ролем и это уже есть гарантия успешной промышленной реализации РЛД модульного исполнения. Кроме того, вращающаяся масса цилиндрического корпуса является хорошим маховиком и стабили­затором движения вала ДВС. Для лопастного ротора необходимо применять материал с низким ли­нейным коэффициентом расширения, близким к материалу цилиндрического чугунного корпуса, на­пример титановые линейные сплавы ВТ6Л, ВТ21Л, выдерживающие ещё и высокие температуры плавления (до 1650° С), коррозионостойкие и меньшим в 1,5 раза удельным весом (4,3-4,6 г/см ) чем сталь.

 

Сравнительный анализ пяти систем МОВ

 

 

На основании рассмотренных выше материалов можно сформулировать требования к новым разработкам машин объемного вытеснения XXI века:

- двухлопастной ротор,

- 4-ре цикла за один оборот вала

-отсутствие реверса ротора (безшатунный механизм),

-отсутствие верхней и нижней мертвых точек (НМТ и ВМТ),

-узкоповерхностное тройное уплотнение ротора и цилиндра,

-перпендикулярное распространение сгорания рабочей смеси,

-двухмодульное конструктивное исполнение

-максимальная унификация (более 50%),

- увеличение КПД до 50-55%.

Этим требованиям полностью отвечает МОВ «ТВИСТ» с не мальтийским механизмом преобразования движения и при очень удачном решении полого вала с перегородкой (цельного или раздельного) Приводится фрагмент полого вала с двумя лопастями и большим внутренним диаметром, удобном для свободного прохождения топлива и размещения всевозможных клапанных систем (рис. 13).

Выводы:

1. Предлагаемое техническое решение в области машин объемного вытеснения с модульным исполнением революционно и прогрессивно (одна схема для всех МОВ) и потенциально занимает громадную нишу научно-технической промышленной продукции.

2. Ясно, что фирмы, выпускающие на Украине ДВС, насосы, компрессоры будут выпускать их и дальше, им не надо лишних хлопот по новой технике и значительных материальных затрат, они даже могут стать в оппозицию.

3. Только новые и молодые предприниматели, ищущие свою серьёзную и мощную нишу, могут заинтересоваться и начать работы по разработке,внедрению унифицированной техники МОВ,чтобы потом получить значительные материальные преференции, перспективу и имидж.

4. Автор ЕНИТ посылал в РФ материалы по своим решениям в 2000г., поэтому не исключает заимствование их в российской разработке «Ё-маё».

 

Литература:

  • 1. Патент     на изобретение №2244163. Российская федерация. Притула М.М., Травников Е.Н., Колищук В.В.. Сферический кривошипно-ползунный механизм (варианты). Приоритет от 25.12.2002 г.
  • 2.  Патент на изобретение №73771. Украина. Притула М.М., Травников Е.Н., Колищук В.В. Сферичий кривошипно-повзунний мехашзм (варианта) .Приоритет от 23.12.2002р.
  • 3. Сухомлинов Р.М. Трохоидальные роторные компрессоры.»Вища школа», Харьков -1975г.
  • 4. Б.Н. Бирюков. Роторно-поршневые гидравлические машины.М. «Машиностроение», 1972г.
  • 5.  Н.С. Ханин, С.Б. Чистозвонов. Автомобильные роторно-поршневые двигатели.М.«Машгиз», 1964г.
  • 6.  Несколько статей из Интернета Жени Травникова
Comments: 5

Biryukova Olesya

Статья актуальна, рассмотренная проблема представляет огромный интерес. Дальнейших успехов автору в работе!

Travnikov Yevgeniy Nikolayevich

Да, технические ошибки при размещении материала были допущены, но не мной. Я твердо стою, что только будущее у машин объемного вытеснения роторно- лопастных, которые по КПД и констркуции заничельно превосходят поршневые. Спасибо за добрыепожелания, Ваш гранд-конструктор ВПК СССР, канд техн. наук Е.Травников.

Vykhodets Alexander Mihailovich

Автор приводит убедительные данные по унификации машин объемного вытеснения, которые производятся в Украине. Возможно. изложенные автором подходы и являются научными, только направлять их следует в Министерство и Кабинет Министров. Сама идея, безусловно. заслуживает пристального внимания и одновременно, системного изучения рывнка потребителей. А.Выходец

Travnikov Yevgeniy Nikolayevich

В министрерстве никому до этого нет дела, потому что в родном отечестве нет прторока (их библии). Спасибо за добрые пожелания. Гранд-конструктор ВПК СССР, канд техн. наук. Е Травников.

Pavlov Evgeniy

Представленная статья отличается актуальностью и практической направленностью. Во всех отраслях деятельности человека машины объемного вытеснения применяются в огромном количестве. Применение роторно-лопастных двигателей судя по статье во многом оправдано. Эксплуатационные характеристики двигателей рассмотренной конструкции во многом превышают показатели обычных поршневых двигателей, в том числе и по значению коэффициента полезного действия. Статья интересная. Однако общее положительное впечатление о работе трудно сформировать из-за отсутствия иллюстраций по теме статьи и нахождении в статье не относящихся в материалу иллюстраций (на рисунках представлены различные виды и модификации металлообрабатывающего оборудования, в основном токарные станки). Надеюсь это техническая ошибка при размещении статьи.
Comments: 5

Biryukova Olesya

Статья актуальна, рассмотренная проблема представляет огромный интерес. Дальнейших успехов автору в работе!

Travnikov Yevgeniy Nikolayevich

Да, технические ошибки при размещении материала были допущены, но не мной. Я твердо стою, что только будущее у машин объемного вытеснения роторно- лопастных, которые по КПД и констркуции заничельно превосходят поршневые. Спасибо за добрыепожелания, Ваш гранд-конструктор ВПК СССР, канд техн. наук Е.Травников.

Vykhodets Alexander Mihailovich

Автор приводит убедительные данные по унификации машин объемного вытеснения, которые производятся в Украине. Возможно. изложенные автором подходы и являются научными, только направлять их следует в Министерство и Кабинет Министров. Сама идея, безусловно. заслуживает пристального внимания и одновременно, системного изучения рывнка потребителей. А.Выходец

Travnikov Yevgeniy Nikolayevich

В министрерстве никому до этого нет дела, потому что в родном отечестве нет прторока (их библии). Спасибо за добрые пожелания. Гранд-конструктор ВПК СССР, канд техн. наук. Е Травников.

Pavlov Evgeniy

Представленная статья отличается актуальностью и практической направленностью. Во всех отраслях деятельности человека машины объемного вытеснения применяются в огромном количестве. Применение роторно-лопастных двигателей судя по статье во многом оправдано. Эксплуатационные характеристики двигателей рассмотренной конструкции во многом превышают показатели обычных поршневых двигателей, в том числе и по значению коэффициента полезного действия. Статья интересная. Однако общее положительное впечатление о работе трудно сформировать из-за отсутствия иллюстраций по теме статьи и нахождении в статье не относящихся в материалу иллюстраций (на рисунках представлены различные виды и модификации металлообрабатывающего оборудования, в основном токарные станки). Надеюсь это техническая ошибка при размещении статьи.
PARTNERS
 
 
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
Would you like to know all the news about GISAP project and be up to date of all news from GISAP? Register for free news right now and you will be receiving them on your e-mail right away as soon as they are published on GISAP portal.