паровой двигатель

Формула изобретения

1. Паровой двигатель, состоящий из размещенных в корпусе топочной камеры, внутри которой установлен парогенератор с впускным и выпускным патрубками, выведенными в испарительную камеру, заполненную водой до контролируемого датчиком уровня и паропроводом присоединенную через парораспределительный золотник к поршневой камере с поршнем, и преобразователя возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение рабочего вала, отличающийся тем, что корпус выполнен секционным, L-образным, в его горизонтальной секции между топочной и поршневой камерами образована теплоизоляционная камера, которая металлической панелью отделена от поршневой камеры, заполнена сменным теплоизоляционным материалом и снабжена загрузочным и разгрузочным окнами, перекрытыми заслонками, а испарительная камера установлена на корпусе в его вертикальной секции над топочной камерой, впускной и выпускной патрубки парогенератора разнесены в ней по длине и установлены в общей для камер стенке корпуса посредством муфт, перпендикулярно зеркалу воды, помещенной в испарительную камеру, при этом впускной патрубок погружен в воду, а выпускной поднят над зеркалом воды, и его выходное отверстие расположено от потолка камеры на расстоянии, равном диаметру выпускного патрубка.

2. Паровой двигатель по п.1, отличающийся тем, что парогенератор выполнен в виде змеевика, установленного в топочной камере под испарительной камерой.

3. Паровой двигатель по п.1 отличающийся тем, что теплоизоляционная камера выполнена длиной, равной 1/3÷1/2 длины топочной камеры.

4. Паровой двигатель по п.1, отличающийся тем, что патрубки выполнены при соотношении длин, соответственно выбранном 1÷8.

5. Паровой двигатель по п.1, отличающийся тем, что он помещен в теплоизолирующий кожух.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергомашиностроению и касается усовершенствования паросиловых установок поршневого типа, может быть использовано в различных областях техники в качестве двигателя, преобразующего тепловую энергию в механическую.

Известен паровой двигатель, состоящий из топочной камеры, в которой сжигается топливо, камеры впрыска воды, поршневой камеры перемещения рабочего поршня, отверстия для выхлопа пара, и преобразователя возвратно-поступательного движения во вращательное движение вала (SU №12327 A, F01К 21/02, 1929).

Недостатком указанного парового двигателя является громоздкость и сложная кинематическая схема преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное.

Известен паровой двигатель для получения механической энергии путем сжигания любого топлива в испарительных камерах. Этот двигатель отличается от машины Уатта отсутствием громоздкого парового котла. Его заменяют две нагреваемые камеры с клапанами, соединенные патрубками с двумя частями цилиндра, разделенными поршнем со штоком (RU №2107169, F01К 21/00, 1998).

Коэффициент полезного действия такого двигателя может быть близким к коэффициенту полезного действия двигателя внутреннего сгорания. К недостаткам известного двигателя следует отнести необходимость нагревать каждую камеру индивидуальным источником тепла, что усложняет эксплуатацию двигателя, создает дополнительные расходы на источники тепла (горелки) и сжигаемый в них газ.

Двигатель имеет громоздкую конструкцию, требует отдельного рабочего помещения для обеспечения нагрева испарительных камер газами.

Известен поршневой паровой двигатель, содержащий рабочий цилиндр с поршнем и соединенные с ним конденсатор, насос-дозатор и теплопередающее устройство, вход которого соединен с насосом-дозатором, а выход - с рабочим цилиндром с образованием замкнутого контура циркуляции рабочего тела. Теплопередающее устройство выполнено в виде теплообменника-аккумулятора капиллярного типа, а в качестве рабочего тела использована вода, нагретая до температуры выше критической (RU №2093686, F01К 21/00, 1997).

Паровой двигатель имеет упрощенную конструкцию за счет усовершенствования теплопередающего устройства, выполненного в виде теплообменника-аккумулятора.

Однако такой двигатель громоздок за счет оснащения его ванной с расплавленным рабочим веществом, а нагрев теплообменника-аккумулятора до t°=374°C обусловливает значительные энергетические затраты на его обслуживание.

Известен, взятый за прототип, паровой двигатель, состоящий из топочной камеры, в которой сжигается топливо, камеры впрыска воды, поршневой камеры с рабочим поршнем, и отверстием для выхлопа пара, и преобразователя возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала (Патент РФ №2181438 от 20.04.2002).

Топочная камера выполнена в виде котла, расположенного вверх дном, внутри которого установлена горелка для сжигания топлива. Камера впрыска воды включает водяной бак и патрубки подвода и отвода воды с управляющими клапанами. Топочная камера сжигания топлива с котлом, камера впрыска воды и поршневая камера с рабочим перемещающимся паром поршнем расположены внутри одного корпуса-цилиндра по высоте, а преобразователь движения поршня выполнен в виде коленвала. В камере впрыска вода превращается в пар и за счет изменения своего агрегатного состояния из жидкого в парообразное увеличивается в объеме, что обусловливает перемещение поршня и вращательное движение соединенного с ним рабочего вала.

Известный двигатель сложен в изготовлении и неэкономичен.

Задачей заявляемого изобретения было создание простого экономичного двигателя, который может работать на твердом топливе, альтернативном жидким топливам, и использоваться преимущественно в сельском хозяйстве в качестве привода средств малой механизации.

Задача решается тем, что паровой двигатель, состоящий из размещенных в корпусе топочной камеры, внутри которой установлен парогенератор с впускным и выпускным патрубками, выведенными в испарительную камеру, заполненную водой до контролируемого датчиком уровня и паропроводом присоединенную к поршневой камере с поршнем, приводимым в движение паром, и преобразователя возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение рабочего вала, согласно предложению характеризующийся тем, что корпус выполнен секционным, L-образным, в его горизонтальной секции между топочной и поршневой камерами образована теплоизоляционная камера, которая металлической панелью отделена от поршневой камеры, заполнена сменным теплоизоляционным материалом и снабжена загрузочным и разгрузочным окнами, перекрытыми заслонками, а испарительная камера установлена на корпусе в его вертикальной секции над топочной камерой, впускной и выпускной патрубки парогенератора разнесены в ней по длине, пропущены через общую стенку камер, установлены в ней посредством муфт, перпендикулярно зеркалу воды, помещенной в испарительную камеру, при этом впускной патрубок погружен в воду, а выпускной - поднят над зеркалом воды и его выходное отверстие расположено от потолка камеры на расстоянии, равном диаметру выпускного патрубка.

Паровой двигатель отличается тем, что парогенератор выполнен в виде змеевика, установленного в топочной камере под испарительной камерой.

Паровой двигатель отличается тем, что теплоизоляционная камера выполнена длиной, равной 1/3-1/2 длины топочной камеры.

Паровой двигатель отличается тем, что впускной и выпускной патрубки выполнены при соотношении длин соответственно 1-8.

Паровой двигатель отличается тем, что корпус помещен в теплоизолирующий кожух.

Автору-заявителю не известны паровые двигатели, содержащие заявляемую совокупность существенных признаков, обеспечивающих конструкции технический результат.

Выполнение корпуса двигателя секционным, L-образным обеспечивает его компактность, простоту обслуживания, надежность теплозащиты и безопасность.

Введение в паровой двигатель заявленной теплоизоляционной камеры, с металлической панелью и наполнителем, расположенной между топочной и поршневой камерами, выполненными в общем корпусе, дает возможность не допустить заклинивания поршня за счет исключения сильного перегрева, поддержания равномерного теплового режима в поршневой камере, тем самым повышает надежность конструкции, обеспечивает работу двигателя на номинальных режимах по удельному расходу топлива, в том числе низкокаллорийного, позволяет уменьшить потери на трение в контактной паре поршень-корпус, обеспечивает требуемые тяговые характеристики, допускает перегрузки и реверсирование. Кроме того, предлагаемая компоновка камер, оснащение теплоизоляционной камеры окнами с заслонками обеспечивают простоту обслуживания двигателя.

Заполнение теплоизоляционной камеры теплоизоляционным материалом, в качестве которого может быть использован любой дешевый доступный, в том числе земля и зола из топочной камеры, гарантирует поддержание требуемого теплового режима в поршневой камере, исключающего нагрев поршня, соответственно его заклинивание, а наличие металлической панели, ограждающей поршневую камеру поддерживает равенство или близкое соответствие характеристик пара в испарительной и поршневой камерах.

Расположение впускного и выпускного патрубков парогенератора-змеевика непосредственно в испарительной камере, установленной над топочной, где обеспечивается процесс полного сгорания топлива с подсосом атмосферного воздуха, исключает возможность возникновения аварийных ситуаций в этой камере, а при поступлении воды в горячие трубы парогенератора-змеевика вода мгновенно превращается в пар, который по выпускному патрубку поступает под потолок испарительной камеры и за счет выбранного указанного расстояния между выпускным отверстием патрубка и потолком гарантируется улучшение процессов распределения рабочих сред (пара, воды), полное использование образованного в змеевике пара.

Предлагаемая компоновка камер, выполнение их в указанном соотношении размеров обеспечивают простоту конструкции, ее обслуживания, сборки, ремонта, а также повышает надежность двигателя за счет обеспечения оптимальных рабочих режимов. Выполнение теплоизоляционной камеры длиной, меньшей заявляемой, не обеспечит требуемых тепловых режимов в поршневой камере, а выполнение этой камеры с большей длиной нецелесообразно, т.к. приведет к увеличению габаритов горизонтальной секции корпуса. Указанное размещение и выполнение впускного и выпускного патрубков с заданным соотношением длин исключают аварийные ситуации и обеспечивают полное использование пара на полезную работу, совершаемую поршнем.

Предлагаемый паровой двигатель схематично представлен на чертеже, где показан его продольный разрез.

Паровой двигатель состоит из размещенных в выполненном в виде прямоугольной коробки корпусе 1, топочной камеры 2, внутри которой горизонтально установлен парогенератор 3 с впускным 4 и выпускным 5 патрубками, выведенными в испарительную камеру 6, заполненную рабочей средой - водой 7 до контролируемого датчиком 8 уровня и паропроводом 9, присоединенную через парораспределительный золотник 10 к поршневой камере 11 с поршнем 12, приводимым в движение паром, и преобразователя 13 возвратно-поступательного движения поршня 12 во вращательное движение рабочего вала. Корпус 1 защищен теплоизоляцией и выполнен секционным, L-образным. В его горизонтальной секции между топочной камерой 2 и поршневой камерой 11 выполнена теплоизоляционная камера 14, которая металлической панелью 15 отделена от поршневой камеры 11, заполнена сменным теплоизоляционным материалом 16 и снабжена загрузочным и разгрузочным окнами 17, 18 с заслонками (не обозначено) соответственно для заполнения и удаления отработанного теплоизоляционного материала, в качестве которого может быть использован любой доступный пользователю, в том числе земля и зола из топочной камеры. Испарительная камера 6 установлена в вертикальной секции корпуса 1 над топочной камерой 2 и впускной 4 и выпускной 5 патрубки парогенератора 3 разнесены в ней по длине, пропущены через общую стенку камер: днище - для испарительной камеры, потолок - для топочной камеры, и установлены в стенке посредством муфт 19, перпендикулярно зеркалу воды 20, помещенной в испарительную камеру 6. Впускной патрубок 4 полностью погружен в воду, а выпускной 5 - поднят над зеркалом воды 20 и его выходное отверстие 21 расположено от потолка камеры на расстоянии h, равном диаметру d выпускного патрубка 5.

Парогенератор 3 выполнен в виде змеевика, горизонтально установленного в топочной камере 2 под испарительной камерой 6.

Теплоизоляционная камера 14 выполнена длиной, например, равной 1/3-1/2 длины топочной камеры 2, что является оптимальным для обеспечения теплового режима в движении и проверено опытным путем.

Впускной 4 и выпускной 5 патрубки змеевика выполнены при соотношении длин соответственно 1 к 8, что позволяет обеспечить требуемое разрежение под потолком испарительной камеры, полное использование полученного пара на полезную работу.

В качестве преобразователя 13 возвратно-поступательного движения поршня 12 может быть использован известный кривошипно-шатунный механизм поршневой машины.

Работа двигателя

В топочную камеру 2 загружается твердое топливо, в качестве которого может быть использовано любое доступное, желательно активированный уголь, что обеспечивает возрастание эффективности работы двигателя. От раскаленного топлива вода в парогенераторе-змеевике 3 нагревается, превращается в пар, который поступает в испарительную камеру 6, а затем через золотник 10 подается на поршень 12 в начальную или концевую полости поршневой камеры 11 в зависимости от команды от внешнего преобразователя 13. Поршень двигается вперед-назад, приводит в действие кривошипно-шатунный механизм, в результате чего поступательное движение поршня 12 преобразуется во вращательное движение рабочего вала, соединенного, например, с колесами установки.

При проведении опытной проверки двигателя, изготовленного силами автора-заявителя, установлено, что топлива целесообразно закладывать до 90% высоты топочной камеры 2. Испарительную камеру 6 необходимо заполнять водой (через пробку, не обозначено) и поддерживать этот уровень на 50% по высоте, что достаточно для осуществления рабочего процесса, и обеспечивает возможность предварительного подогрева воды перед поступлением в змеевик, ускоряющего образование пара в парогенераторе.

В топочной камере 2 необходимо выполнять отверстия под загрузочной дверкой для сообщения ее с атмосферой, что обеспечивает подсос воздуха в камеру, улучшает процесс горения топлива.

Испытания позволили подтвердить ожидаемый технический результат изобретения: уменьшение габаритов, веса, себестоимости двигателя, а также упрощение обслуживания, обеспечение условий для более полного сгорания топлива, улучшение экологических показателей.

Паровой двигатель может быть изготовлен из доступных материалов с использованием комплектующих узлов (парораспределительный золотник, преобразователь возвратно-поступательного движения, датчики), выпускаемых отечественными предприятиями. Двигатель может использоваться в местностях, где нет бензина, солярки, газа, электроэнергии в качестве устройства для приведения в действие любых агрегатов небольшой мощности, преимущественно сельскохозяйственного оборудования.