Про парову машину майже забули із-за низького коефіцієнта корисної дії, великих габаритних розмірів і маси. Спеціалісти свого часу намагалися виправити ці недоліки, але безрезультатно. Що ж можна запропонувати нового?

Та все по порядку. Якось мені довелося вести розмову зі знайомим літнім художником. Дізнавшись про те, що я працюю над двигунами, він сказав: «Краще б ви побудували невеличку парову машину, яка б приводила в рух генератор. Це дасть змогу забезпечити струмом наше селище. Колись тут стояла така машина. Палили в ній соломою і вона добре працювала». Тоді я не відповів йому. Що знову повертатися в ХІХ століття? Але в моєму випадку прийшлося повернутися до старого, тільки на новій сходинці розвитку техніки.

Працюючи над удосконаленням двигуна внутрішнього згорання зацікавився історією створення дизеля. Вияснилося, що Рудольф Дизель планував у якості пального для свого двигуна використовувати тверде паливо – вугільний пил. Але добитися хорошого згорання вугілля в циліндрах двигуна він не зміг. Постало запитання: «Як можна покращити згорання вугілля в циліндрі?»

Вирішив обробляти вугільний пил водяним паром, або подавати разом з вугіллям в циліндр воду. І тут промайнула думка: «А чому б не подавати в циліндр, де знаходиться стиснуте з високою температурою повітря... одну воду?! Вода перетвориться в пару, яка розширюючись перемістить поршень і виконає роботу. Це була ідея. Згодом стало ясно, що краще розпилювати воду форсунку на розігріту гарячими газами головку поршня.

На рис.1 зображена схема парового двигуна . Він складається з циліндра 9 з сорочкою 10 нагрівання продуктами згорання пального в котлі 3, поршня 7 з головкою 5, конденсатора 1, ємності 2 для зберігання води, водяного насоса 4, форсунки 8 і клапана 6 випуску відпрацьованої пари.

Робота двигуна відбувається по двохтактній схемі. З котла 3 продукти згорання поступають в сорочку 10 нагрівання циліндра 9, а звідти викидаються в атмосферу. Коли поршень 7 підійде до верхньої мертвої точки, в циліндр 9 вприскується форсункою 8 порція води. Розпилена вода, зіткнувшись з гарячими стінками циліндра 9 та з гарячою головкою 5 поршня 7 (робочий хід) і виконає роботу. На зворотному шляху поршня 7 відпрацьована пара виштовхнеться із циліндра 9 в конденсатор 1. В конденсаторі 1 пара охолоне і у вигляді води потрапить в ємність 2.

Для забезпечення нагрівання головки поршня використано механізм Белдія/1/. До речі, що таке механізм Белдія? Це вал 2 на якому закріплена куля 1 (див рис.2). На кулі 1 зроблено кільцевий паз, площина якого нахилена під кутом 30º до осі вала 2 з кулею 1. В пазі розташовані сателітні півкільця 5 і 6, які за допомогою двох кульок 4 і 7 зв‘язані з кільцем-рамкою 3. Вісь останньої перпендикулярна до площини і до осі вала 2 з кулею 1. Коли вал 2 з кулею 1 зробить півоберта, кільце-рамка 3 повернеться на 120 º. Решту часу кільце-рамка 3 нерухома.

На рис.3 показана схема парового двигуна з обігрівом головки поршня гарячими газами. Паровий двигун містить гільзу циліндра 5, яка обігрівається продуктами згорання пального. Гази для обігріву потрапляють у сорочку 15. В циліндрі 5 переміщується поршень 3 з рухомим циліндром 4 за допомогою гвинта 8 і кульки 16. Гвинт 8 парового двигуна передає зусилля від поршня 3 на кільце-рамку 11 механізму Бельдія. Вісь кільця-рамки 11 лежить в площині рисунка і співпадає з віссю гвинта 8, а також перпендикулярна до осі вала 2 з кулею 1. Від провороту поршень 3 фіксується кулькою 17, яка рухається по спрямовній 18. В рухомому циліндрі 4 поршня 3 знаходиться нерухомий поршень 6, шток 7 якого упирається в опорний підшипник 10. Шток 7 теплоізольований кожухом 9. Отвір «δ» в опорному підшипнику 10 забезпечує прохід масла із картера до деталей циліндро-поршневої групи двигуна. Порожнина циліндра 4 з‘єднана з сорочкою 15 обігріву каналами «с» в блоці, каналом «d» в картері та каналами в кронштейні 12, в опорному підшипнику 10 і штоці 7 нерухомого поршня 6. На рисунку не показано форсунку для подачі води і клапан для випуску з циліндра водяної пари.

Переміщення поршня 3 до верхньої мертвої точки супроводжується виникненням розрідження в рухомому циліндрі 4. При цьому гарячі гази із сорочки 15 обігріву циліндра 5 потрапляють через зазначені канали в порожнину циліндра 4, нагріваючи головку поршня 3. На зворотному шляху поршня 3 гази виштовхуються сорочку 15.

Є варіанти парового двигуна з нагріванням головки поршня електронагрівачем, тепловим насосом, з дизельним ефектом та з «холодним» поршнем.

Однак описаний паровий двигун не повністю використовує енергію пари.

Тому розроблено паровий двигун схема якого зображена на рис. 4. Він складається з двох циліндрів 3 і 10. холодним і гарячим, відповідно. В циліндрах розташовані поршні 4 та 9. В головці циліндра 3 знаходиться клапан 5 випуску води, а в головці циліндра 10 – форсунка 7. Циліндр 10 має сорочку 11 обігріву гарячими газами, а циліндр 3 – сорочку 6 охолодження. Порожнини циліндрів 3 і 10 об‘єднуються каналами «α» під час знаходження поршнів 4 та 09 в нижній мертвій точці. Крім того двигун має ємність 2 для зберігання води і насос 1.

Робота парового двигуна відбувається наступним чином.

Під час перебування поршнів 4 і 9 (вони рухаються синхронно) в верхній точці в циліндр 10 впорскується форсункою 7 порція води (рис.4,а). Вода контактуючи з гарячими стінками циліндра 10 та з гарячою головкою 8 поршня 9 перетворюється в пару. Пара розширюючись перемістить поршень 9 вниз та виконає роботу. З початком переміщення поршнів 4 та 9 вниз клапан 5 закривається і в циліндрах 3 і 10 виникає розрідження. Під час знаходження поршнів 4 та 9 в нижній мертвій точці відкривається канал «α», що з‘єднує порожнини циліндрів 3 та 10 (рис.1,б). Водяна пара перетікає з циліндра 10 в циліндр 3, де і конденсує. В обох циліндрах виникає розрідження. Поршні 4 та 9 рухаються вверх. При цьому виконується робота. В кінці ходу поршнів 4 та 9 вверх в циліндрі 3 відкривається клапан 5 під тиском води і вода виштовхується в ємність 2 для її зберігання (рис.4,а). В цей же час форсунка 7 розпилює порцію води в циліндр 10. Процес повторюється.

Нагрівання головки 8 поршня 9 відбувається по одному із способів описаному вище.

Таким чином енергія пару використовується максимально ефективно.

Регулювати потужність і частоту обертання вала парового двигуна можна змінюючи подачу кількості води в циліндри і кількості спалюваного пального.

Виникає запитання: «Чому до цього часу не був винайдений паровий двигун?»

Річ у тім, що для повного перетворення порції води в пару всередині циліндра необхідно, щоб рухомий поршень в верхній мертвій точці деякий відрізок часу був нерухомий (в наслідок великої теплоємності вода перетворюється у пару досить повільно). Це забезпечує механізм Бельдія, а з кривошипношатунним механізмом поршень проходе мертві точки миттєво.

Однак механізм Бельдія не дає можливості надійно закріпити шток нерухомого поршня та забезпечити вільний прохід масла до деталей двигуна.

Всім цім вимогам відповідає безшатунний механізм, розроблений автором статті.

Новий безшатунний механізм дозволяє створити тепловий насос, компресор і двигун Стірлінга, а також двигун внутрішнього згорання. Відносно останнього скажу лиш, що новий механізм дозволяє виготовити двигун, працюючий в чотиритактному режимі, але ці чотири такта виконуватимуться за один(!) оберт валу. Тобто його потужність в два рази більша ніж у звичайного чотиритактного двигуна. Це важливо для військових гусеничних машин, у яких основним показником рухомості є питома потужність.

Всі розробки високо компактні і базуються на робочій парі поршень-циліндр. Надійність цієї пари перевірена на діючих двигунах та компресорах, і відмовлятися від неї недоречно. Тільки замість криво-шатунного пропонується новий механізму, який і є предметом винаходу. Виготовлена діюча модель цього силового агрегату і перевірена на практиці його робота, що підтверджує правильність теоретичних досліджень.

Хочеться ще раз звернутися до історії. Першу парову машину (паровий насос) створив француз Дені Панен в ХVІІ столітті. Насос складався із циліндра і поршня. На дні циліндра була невелика кількість води , яка нагрівалася вогнищем і охолоджувалася обливанням циліндра водою. Це було недоліком парового насоса.

Потім стали гріти воду в котлі. В описаному вище паровому двигуні пропонується знову кип‘ятити воду в циліндрі, але використання останніх досягнень науки і техніки дозволяє перетворити цей недолік у перевагу.

Ось і відповідна пропозицію художника: «Розроблений паровий двигун може з успіхом працювати на доступному дешевому пальному, в тому числі і на твердому, але використовуватиме його більш економічно і матиме габаритні розміри і масу не більші ніж у дизельного двигуна.»

Свого часу парова машина дала перепуску для існування двигунам з кривошипношатунним механізмом. Мабуть новітній паровий двигун відкриє еру без шатунних двигунів.

На один із варіантів компресора отриманий патент на винахід №87868

Ознайомитись з цим винаходом можна в статті: «Безшатунний поршневий двоступінчатий компресор», яка опублікована в журналі «Винахідник і раціоналізатор» № 1 за 2009 рік, та розміщена на сайті www.patent.km.ua

Решта винаходів не запатентована. Немає коштів. Кого зацікавила ця інформація і хто може надати фінансову підтримку автору прошу телефонувати на номер +38-097-948-32-93 (Україна)

Можу продати зазначений патент

Література:

1. «Обратимый преобразователь направления движения и машина объёмного вытеснения на его основе.» Международная заявка на изобретение, WO 96/31684 от 10 октября 1996г. UA.

Володимир Федосєєв

кандидат технічних наук