Патент 967

Охлаждаемый поршень для машин, в которых он подвергается повторному нагреванию

 

I № 967, L;

Класс 46с

ПАТЕНТ НА ИЗОБРЕТЕНИЕ

ОПИСАНИЕ охлаждаемого поршня для машин, в которых он подвергается повторному нагреванию.

К патенту ин-ца Г. Юнкерса (Н. Junkers) в r. Дессау (Ангальт), Германия, заявленному 17 декабря 1924 года (заяв. свид. № 2292).

0 выдаче патента опубликовано 27 февраля 1926 года. Действие патента распространяется на срок до 27 февраля 1941 года.

Предлагаемое изобретение касается таких поршневых машин, в которых, движущийся возвратно - поступательно, поршень, испытывая большие механиче-, ские напряжения, подвергается в то же время повторному одностороннему на- ; греванию, т. е. двигателей, работающих! вспышкою, двигателей внутреннего го-, рения, компрессоров и т. д. При силь-, ном нагревании поршневого днища и больших механических напряжениях поршня необходимы специальные сред-; ства для возможно быстрого отведения ., от него тепла, так как в противном случае поршень быстро разрушается (лопается).

Охлаждение поршня производится, обыкновенно по одному из следующих трех способов:

1) Путем проведения через поршень струи охлаждающей воды. Этот способ ведет к сложному и требующему тща- i тельного ухода устройству.

2) Путем непосредственной отдачи тепла воздуху. Этот способ во многих случаях недостаточен вследствие незначительности передачи теплоты с металла на воздух; и 1

3) Путем отдачи телла стенкам охлаждаемого воздухом или водою цилиндра.

Предлагаемое изобретение касается этого последнего способа охлаждения.

При этом способе отдача телла происходит только через цилиндрические части поршня, находящиеся в непосредственном соприкосновении с охлаждаемыми стенками цилиндра. Между тем, нагреванию подвергается, главным образом, поршневое днище, а потому теплоту, передаваемую этому днищу, нужно прежде всего передать цилиндрическим стенкам поршня. Такая передача производилась до сих пор исключительно через металл, при чем с целью достижения достаточно большого теплопроводящего сечения или увеличивали толщину днища и цилиндрической стенки поршня, или же снабжали его внутренними ребрами, как показано на фиг. 1 прилагаемого чертежа, где теплота от днища 1 передается цилиндрическим стенкам 2 поршня путем распространения в металле по путям, указанным стрелками. Такое устройство крайне просто, но совершенно не достаточно в тех случаях, когда нужно отводить большие количества тепла, в особенности, когда диаметр поршня большой или когда машина работает одновременно при высоких давлениях и температурах, потому что при этих обстоятельствах невозможно получить достаточно большие поперечные сечения металла. Вдобавок и поршень получается очень тяжелый. Из чертежа ясно, что та часть поршня, которая ближе к нагреваемому днищу, будет отдавать стенкам цилиндра большие количества тепла, тогда как удаленная от этого днища часть будет участвовать в этой передаче в весьма незначительной степени, потому что распространение тепла в металле совершается сравнительно медленно, так что удаленные части имеют значительно более низкую температуру, чем части, лежащие непосредственно у нагреваемой стенки. Такое неравномерное распределение тепла вызывает внутренние напряжения в материале поршня и весьма часто поломку его. Опасность поломки (раскалывание происходит, обкновенно, у нагретого днища) при прочих равных обстоятельствах возрастает, разумеется, с увеличением размеров поршня, так что конструкторам в этом отношении поставлен был до сих пор сравнительно низкий предел.

Согласно предлагаемому изобретению указанные недостатки, обусловленные недостаточно энергичным отведением тепла от поршня, устраняются тем, что внутренняя полость (или полости) поршня заполняется совершенно или частью какою-либо жидкостью, которая при движении поршня приходит или исскуственно приводится в движение и, приходя в соприкосновение со всеми стенками поршня, механически, так сказать, переносит тепло с горячих стенок на менее горячие стенки. Эта жидкость остается в поршне и, следовательно, не является средством для непосредственного отведеня тепла, а лишь средством для возможно равномерного распределения такового на всю поверхность поршня, вследствие чего вся цилиндрическая стенка поршня будет принимать вполне одинаковое участие в отдаче тепла охлаждаемым стенкам цилиндра.

Простой пример осуществления предлагаемого изобретения представлен на

1 фиг. 2 чертежа, где поршень имеет одну вполне закрытую полость 3, частью заполненную жидкостью 4, которая при возвратно - поступательных движениях поршня приходит в сильное движение и в тесное соприкосновение как с повторно нагреваемым днищем 1, так и с цилиндрической стенкой 2 и вторым днищем поршня. Эта жидкость поглощает теплоту стенки 1, подверженную непосредственному действию горячих газов, а при дальнейшем своем движении сообщает ее цилиндрической стенке поршня, передающей ее охлаждаемым стенкам

1 цилиндра. При этом устройстве теплота стенки 1 на своем пути к стенке цилиндра совершает лишь очень короткий путь по металлу, а именно путь, равный сумме толщин днища и поршевого кожуха, передача же от днища к этому кожуху происходит путем черезвычайно быстрого механического перенесения при посредстве жидкости 4, приведенной в сильное движение.

В виду отсу1ствия значительной разности температур в разных местах поршня, в материале последнего нет тепловых напряжений, так что при расчете толщины стенок поршня нужно лишь считаться с условиями механической прочности. Поэтому стенки получаются значительно тоньше и могут иметь везде приблизительно одинаковую толщину.

В отдаче тепла стенкам цилиндра равномерно участвует вся цилиндрическая поверхность поршня, а потому эта передача совершается гораздо скорее. Устранена опасность защемления поршня, неизбежная до сих пор при одностороннем сильном нагревании его и при отведении тепла от лобовой на боковую стенку по металлу. Все это сделало возможным устройство машин с цилиндрами большого диаметра, не прибегая к непосредственному охлаждению поршня путем пропуска через него струи воды, связанному с большими техническими трудностями.

На фиг. 3 — 21 представлены дальнейшие формы выполнения предлагаемо о изобретения.

Поршень по фиг. 3 и 4 имеет несколько вполне закрытых камер, частью заполненных жидкостью, напр., водою.

Поршень, играющий одновременно роль, направляющего крейцкопфа, имеет очень большую длину и для передачи тепла стенкам цилиндра использована лишь часть его боковой поверхности.

Подобный же поршень представлен, ! на фиг. 16 в продольном разрезе, при чем, однако, в передаче тепла стенкам цилиндра участвует и та часть цилиндрической поверхности поршня, которая расположена впереди цапфы шатуна.

На фиг. 17 и 1 8 изображены разрезы этого поршня по А — А и B — В, фиг. 16.

Поршень имеет промежуточное днище

30, с отверстиями, снабженными клапанами 31 и 32, открывающимися в разные стороны. Стенка 43, доходящая в устройстве по фиг. 16, 17 и 18 до сводчатой перегородки 63, а в устройстве по фиг. 16, 19 и 20 почти до переднего конца 47 (ф. 16) кольцевого пространства, занятого охлаждающею водою, разделяет это кольцевое пространство на две части, сообщающиеся между собою у переднего конца, напр., при помощи отмеченных на фиг. 16 и 18 плоских каналов или труб 61, 62. Благодаря этому устройству при движениях поршня, вызывающих поочередное открывание клапанов 3i и 32, создается сделать такие выточки на самой цапфе.

При поршне, представленном на фиг, 16, можно охлаждать при помощи циркулирующей воды также и цапфу 48 для шатуна. Согласно фиг. 21 это достигается с помощью продольного канала

64, сообщающегося с двумя отделениями пространства, занятого охлаждающей водою, так что циркуляция в последнем вызовет также и циркуляцию через упомянутый канал 64.

На фиг. 19 и 20 изображены разрезы поршня по линиям А — А и  — В (фиг. 16), отличающегося лишь тем, что вся передняя часть его использована для отведения теплоты. Это возможно тогда, когда головка шатуна мала и шатун совершает небольшие размахи около цапфы. В этом случае сообщение между собою переднего и заднего пространств для охлаждающей воды достигается при помощи каналов 39 и 40 (фиг. 19), образованных в толще поршневого кожуха.

Описанное устройство для создания правильной циркуляции охлаждающей жидкости в полостях поршня может найти применение и при поршнях иной конструкции, при чем для существа дела безразлично, работает ли поршень горизонтально, вертикально или в нациркуляция охлаждающей воды по пути, клонном положении. обозначенному на фиг. 16 стрелками,, В машине, представленной на фиг. 5 при чем вода приходит в тесное сопри-! в вертикальном разрезе, имеется поршень косновение как с согреваемым днищем с одной внутренней полостью, в котопоршня, так и с наружной стенкой 2, рой устроена направляющая стенка о поршня, отдающею теплоту стенкам ци- устраняющая беспорядочность движения ндра и с охлаждаемыми наружным жидкости и сообщающая ей известную воздухом внутренними стенками 44, 4о. I закономерность, выгодную в смысле отВ изображенном примере поршень ведения тепла от нагреваемой лобовой служит также крейцкопфом и имеет по- стенки и передачи таковой остальным этому цапфу 48 для шатуна. Если го- ., стенкам поршня. Это — машина двойноловка 49 последнего занимает все сво- го действия, так что переменному набодное пространство между цапфою и греванию подвергаются обе крышки стенкой цилиндра (фиг. 17), то не вся поршня. В рассматриваемой машине передняя часть цилиндрической поверх-; охлаждение поршневого штока 53 проности поршня участвует в теплоотдаче. изводится по способу, осуществленному

Для этого могут быть использованы,для самого поршня. С этой целью его лишь части, отвечающие сегментам 37; канал 64 заполнен водой. Так как шток и 38 (фиг. 18), находящимся в сообше-! в верхней своей части непосредственно нии с верхним пространством при по- I нагревается горячими газами, то усиленсредстве отверстий 33 и 34, просверлен- j ное охлаждение его является весьма ных в цапфе 48. Вместо этих отверстий,целесообразным. можно образовать в гнездах для этой В изображенном примере канал 54 цапфы выточки Зо (фиг. 17), или же штока находится в постоянном сообщении с внутренней полостью поршня.

Можно, однако, разобщить этот канал и камеру поршня, причем отведение тепла, сообщенного поршневому штоку, будет происходить исключительно через хорошо охлаждаемые станки об сальника.

Представленный на фиг. 6 поршень имеет несколько кольцевых камер б, 7,, 8, частью заполненных жидкостью, при чем каждая камера имеет свой кольце- вой пояс для передачи телла. Этот пор-, шень особенно пригоден для вертикаль- ных машин с направленным вверх пор- шневым штоком.

Поршень по фиг. 7 и 8 имеет цилиндрическчю внутреннюю стенку 9, уменьшающую необходимый объем теплопере- дающей жидкости. Эта стенка 9, кото- торая делается предпочтительно полой, связана с кожухом поршня при помощи ребер 10, разделяющих кольцевое про- i странство на четыре канала 1 /. Если при горизонтально движущемся поршне два нижних канала 11 вполне заполне- ны жидкостью, то последняя будет со- j вершать кругооборот, двигаясь вдоль одного днища вверх, затем вдоль верхней половины кожуха назад и вдоль второго днища вниз и распределит теплоту, поглощенную у нагреваемого дни- ща, на все остальные стенки поршня., На фиг. 9 представлен в продольном разрезе поршень, коего свободное вну-, треннее пространство почти совершенно заполнено жидкостью. Для того, чтобы при этих условиях получить желатель- ное движение жидкости на стержне 12, расположенном по оси поршня, свободно насажена шкивообразная шайба 13, I которая вследствие возвратно- поступа- тельного движения поршня совершает, размахи, скользя по стержню 12, при чем спиральные пружины И упруго ограничивают ход шайбы 13. Ясно, что последняя играет роль перемешивающего орудия, заставляющего жидкость дви- гаться ритмически вверх и вниз.

На фиг. 10 и 11 показан горизон- тально движущийся поршень, коего камера почти совершенно заполнена жидкостью. Внутри камеры поворотно под- вешена стенка или пластинка 1о, заста- вляющая жидкость циркулировать при движении поршня.

На фиг. 12 показан движущийся в вертикальном . направлении поршень, коего внутренняя полость лишь частью заполнена жидкостью, при чем имеется полая вставка 16 с обратным клапаном

l7 для облегчения всбрасывания жид-кости. Такое устройство производит энергичное ополаскивание внутренних стенок поршня уже при незначительной скорости его движения, так как вода,. находящаяся в верхнем отделении лолой вставки 16, т. е. над клапаном 17, с легкостью выбрасывается через верхний край на нагреваемое днище и затем стекает по цилиндрической стенке. Это выбрасывание воды из верхнего отделения происходит при ускорении нисходящего. движения поршня, при чем вода, находящаяся в нижней части, переходит в. верхнее отделение вставки, так что когда это движение поршня замедляется и, на-конец, сменяется на обратное по направлению, над закрытым клапаном 17 окажется новая порция воды, которую нужно будет подбросить лишь на половин-ную высоту. При очень длинных поршнях можно применять вставку 16 с. несколькими расположенными друг над другом (и между собою связаннь>ми или нет) обратными клапанами 17; чем больше число клапанов 17, тем на меньшую. высоту приходится подбрасывать или перемещать жидкость при каждом ходе поршня, так что получится энергичное ополаскивание его стенок и равномерное распределение тепла уже при небольших изменениях незначительной по величине скорости поршня. Вместо клапанов 17 можно, конечно, применять и простые заклепки, так как особой плотности закрывания не требуется.

На фиг. 13 показано предлагаемое охлаждение в применении к машине с вращающимися цилиндрами 18. В поршнях имеются закрытые камеры 3, частью заполненные водою или иною жидкостью. Цилиндры вращаются вокруг неподвижно закрепленного кривошипного вала 19, а поршни около цапфы 20 его кривошипа. Поршни получают сложное движение, слагающееся из равномерного вращения вокруг оси 19 и из возвратно - поступательного движения в радиальном направлении, обусловленного связью их помощью шатунов с цапфою!

20 кривошипа. Благодаря этому воз- вратно - поступательному движению пор- шней в радиальном направлении, заклю- ченная в камере 3 жидкость приходит в энергичное движение и периодически перебрасывается от внешней днищевой стенки камеры к ее внутренней стенке, при чем поглощенная теплота передается как цилиндрическому поясу поршня, так и этой замыкающей камеру внутренней стенке. В изображенном примере стенки цилиндров охлаждаются водою. Вместо этого охлаждения может быть применено . и воздушное.

На фиг. 14 показан поршень, устроенный согласно предлагаемому изобретению и служащий для работы в машине с наклонными цилиндрами. Жидкость, которая при движении поршня вниз с большою быстротою отбрасывается к нагреваемому верхнему днищу 1, попадает при перемене направления движения поршня на изогнутую стенку 21, с которой она вновь стекает при следующем ходе поршня. Это явление, повторяющееся при каждом полном ходе поршня, ведет, как и в предыдущих случаях, к энергичному охлаждению стенки 1 путем механического перенесения теплоты на остальные стенки поршня, С целью увеличения поверхностей, омываемых заключенною в поршне жид костью, можно предусмотреть как на лобовой стенке 1, от которой отбирают тепло, так и на боковых стенках 2 поршня, которым, главным образом, эта теплота должна быть передана, различного рода возвышения, выступы или ребра

22 (ф. 15) которые в то же время будут играть роль поверхностей, разбивающих жидкость и п ерем еш ива ющих ее, чем ускоряется передача тепла. Этими же, возвышениями, ребрами и т. д. можно! пользоваться для желательного при дан-, ных обстоятельствах распределения тем- . пературы в разных частях стенок поршня.

ПРЕДМЕТ J1ATEHTA.

1. Охлаждаемый поршень для машин, в которых он подвергается повторному нагреванию, характеризующийся тем, что внутренняя полость (ф. 2), или полости (ф. 3, 4, 6 — 8, 13) поршня наполнены совершенно или отчасти жидкостью (напр., водою), невозобновляемою во время работы машины, при чем внутренние стенки полости могут быть снабжены ребрами или выступами 22 (фиг.

15).

II. Видоизменение охарактеризованного в п, 1 поршня, отличающееся тем, что внутри полости поршня устроены направляющие движение жидкости стенки 5 и 21 (ф. 5 и 14) или подвижные перегородки 13 и 15, служащие для приведения жидкости в движение (фиг.

9 — 11).

Ш. Видоизменение охарактеризовангоно в п. 1 поршня, отличающееся тем, что внутренние перегородки 16 разделены на два или более отделений клапанами

17 (ф. 12).

IV. Видоизменение охарактеризованного в п. 1 поршня отличающееся применением открывающихся в разные стороны клапанов 31, 32 (ф. 16 — 20), помещающихся в поперечной стенке 30 поршня, вся полость которого разделена, кроме того, продольной перегородкой

43 на две отдельные полости 37 и 38, сообщающиеся между собой у переднего конца поршня каналами 61, 62 (или

41), и

V. Видоизменение охарактеризованного в и. 1 поршня, отличающееся тем, что кроме поршня охлаждается жидкостью, невозобновляемой во время работы машины (см. ф. 5, 16, 17, 21), также шток, цапфа и другие движущиеся части поршня.