Двигатель с качающимся диском - Nutating disc engine

Работа нутирующего дискового двигателя Dakeyne

А нутирующий дисковый двигатель (также иногда называют дисковый двигатель) является внутреннее сгорание двигатель состоит в основном из одной движущейся части и прямого привода на коленчатый вал. Первоначально запатентованный в 1993 году, он отличается от более ранних двигателей внутреннего сгорания во многих отношениях и использует круговое качание или качание. нутационное движение, в значительной степени опираясь на аналогичные паровые двигатели, разработанные в 19 веке, и аналогично движению невращающейся части наклонной шайбы на двигатель с наклонной шайбой.

Операция

В своей базовой конфигурации ядро ​​двигателя представляет собой нутирующий невращающийся диск, центр ступицы которого установлен в середине Z-образного вала. Два конца вала вращать, а диск "нуаты ", (совершает качающееся движение без вращения вокруг своей оси). Движение диска длина окружности прописывает часть сфера. Часть площади диска используется для забора и сжатие, часть используется для тюлень против центрального корпуса, а оставшаяся часть используется для расширение и выхлоп. Сжатый воздух поступает во внешний аккумулятор, а затем во внешний камера сгорания до того, как он будет допущен к силовой стороне диска. Камера внешнего сгорания позволяет двигателю использовать дизельное топливо в небольших объемах двигателя, что дает ему уникальные возможности для Беспилотный летательный аппарат двигательная установка и другие приложения. Одним из значительных преимуществ нутирующего двигателя является перекрытие рабочих ходов.

Мощность передается непосредственно на выходной вал ( коленчатый вал ), полностью устраняя необходимость в сложных связи необходим в обычном поршневом двигателе (для преобразования линейного движения поршня во вращательное выходное движение). Поскольку диск не вращается, скорости уплотнения ниже, чем в эквивалентном поршневом двигателе внутреннего сгорания. Однако общая длина уплотнения довольно велика, что может свести на нет это преимущество.

Диск качается внутри корпуса, и в его простейшем варианте половина одного диска (один лепесток) выполняет функцию впуска / сжатия, а другой лепесток выполняет функцию мощности / выпуска. Лепестки диска могут быть сконфигурированы так, чтобы иметь равные объемы сжатия и расширения или иметь объем сжатия больше или меньше объема расширения. Это означает, что двигатель может иметь самостоятельный наддув (см. нагнетатель ) или работать как Цикл Миллера / Цикл Аткинсона.

Патенты и история производства

Патент США № 5 251 594 был выдан Леонарду Мейеру из Иллинойса в 1993 году на «нутирующий дисковый двигатель внутреннего сгорания».[1] Двигатель Meyer Nutating Engine - это новый тип двигателя внутреннего сгорания с более высокой удельной мощностью, чем у традиционных поршневых двигателей с возвратно-поступательным движением, и который может работать на различных видах топлива, включая бензин, тяжелое топливо и водород. В патенте упоминались различные нутирующие двигатели 20-го века в Соединенных Штатах, но не упоминался вообще оригинальный двигатель Dakeyne, описанный ниже, в предшествующем уровне техники. Сходство со своим 166-летним гидравлическим предшественником поразительно очевидно, главное изменение состоит в том, что диск не совсем плоский, а слегка выпуклый.

Подробности работы, а также возможности нутирующего дискового двигателя Мейера были опубликованы в[2][3][4][5]

Один прототип некоторое время работал на собственном двигателе с соотношением мощности к массе, равным показателям типичных современных четырехтактных двигателей. Об этом заявляют авторы разработчика /Исследовательская лаборатория армии США /НАСА отчет о технической оценке того, что серийная версия нового двигателя (для приложений БПЛА) может обеспечить удельная мощность 1,6 л.с. / фунт или 2,7 кВт / кг.[6] Это немного лучше, чем у современных двигателей автомобильного производства.[7] но рядом с Graupner G58 нет[8] или Desert Air DA 150.[9]

Компания под названием McMasters, ранее возглавляемая успешным американским предпринимателем. Гарольд Макмастер, также разрабатывает нутирующий двигатель, сжигающий смесь чистых водород и чистый кислород который, как утверждается, будет давать 200 л.с., но весит лишь одну десятую от бензиновых / воздушных автомобильных двигателей той же мощности. Пока компания McMasters заявляет, что потратила на ее разработку 10 миллионов долларов. Планируется также разработать версию «размером с кофейную банку», которую можно будет встроить непосредственно в ступицы колес, полностью исключив традиционный привод. Эта концепция была впервые опробована в британском лейленде. Мини Мок[нужна цитата ] но в то время ему сильно мешало отсутствие надежной синхронизации, что сейчас более распространено из-за повсеместного использования миниатюрных встроенный современный день компьютерные чипы. А бензин McMasters также планирует версию с двигателем, которая, как утверждается, обеспечивает значительно более чистую работу, чем традиционные двигатели.[10]

История

Гидравлический дисковый двигатель Dakeyne

В 1820-х годах владельцы мельницы Эдвард и Джеймс Дейкины из Дарли Дейл, Дербишир спроектировал и построил гидравлический двигатель (а водяной двигатель ), известную как «Ловящий лев», чтобы использовать воду под высоким давлением, имеющуюся возле их мельницы.

Братья Дакейны ранее также изобрели "Equalinium", машину для подготовки льна к прядению, и их отец Дэниел Дакейн (1733–1819)[11] получил патент на это устройство в 1794 году. Часто говорят, что Эдвард и Джеймс забрали патент не сами, потому что в то время они были несовершеннолетними, а на самом деле им было 23 и 21 год.

Мало что известно об их двигателе, кроме несколько нечеткого описания, сопровождающего патент, который был выдан в 1830 году. Его основные отливки были сделаны на литейном заводе в Морли-парке недалеко от Heage, и он весил 7 тонн и генерировал 35 лошадиных сил на высоте 96 футов воды.

Стивен Гловер в своем географическом справочнике Дербишира с энтузиазмом оценил перспективы дискового двигателя, предвидя его использование во всех сферах применения, как в быту, так и в промышленности, не только в качестве первичного двигателя, но и в качестве насоса. Он заявил, что Джон Дейкин также заказал дисковый двигатель для привода мехов органа в резиденции семьи, Knabb House.[12]

Фрэнк Никсон в своей книге «Промышленная археология Дербишира» (1969) заметил, что «самой поразительной характеристикой этой гениальной машины, возможно, является трудность, с которой сталкиваются те, кто пытается ее описать; патентообладателям и Стивену Гловеру удалось создать описания монументальных объектов. непонятность ".[13]

Модель большего размера была построена для осушения свинцовых шахт на Альпорт возле Youlgreave и многие версии Steam были впоследствии построены другими людьми.

Дэвис и Тейлор

Первыми, кто разработал дисковые двигатели с паровым приводом на основе конструкции Дакейнов, были Джордж Дэвис и Генри Тейлор, которые запатентовали свой двигатель в 1836 году. Он был оснащен клапанами для управления подачей пара, а также отличался от версии Дакейнса тем, что ось двигателя была горизонтальной, а кожух двигателя вращался вокруг диска, противоположного оригиналу. В течение следующих восьми лет последовали новые патенты, в основном на расширенные рабочие характеристики и улучшение герметичности двигателя.

В 1836 году Дэвис и Тейлор передали права на производство двигателя Фардону и Госсейджу, владельцам соляного завода. В то же время Дэвис работал над канальным буксиром с дисковым двигателем, приводившим в движение гребное колесо на корме. К 1838 году на соляной фабрике, перекачивающей рассол, использовался двигатель мощностью 5 л.с.

В 1839 году Дэвис, Тейлор, Фардон и Госседж передали права на производство двигателя компании Birmingham Patent Disc Engine. В качестве суперинтенданта компании Генри Дэвис отвечал за дизайн и производство, а Госседж был директором. В феврале 1841 года Правление сообщило, что 26 двигателей были завершены, другие двигатели общей мощностью 260 лошадиных сил находились в стадии разработки, и в общей сложности было заказано 500 лошадиных сил. Они могли делать двигатели мощностью от 5 до 30 лошадиных сил и в настоящее время производят двигатели для железнодорожного вагона. В статье во французском журнале за 1841 год сообщалось, что двигатель мощностью 12 л.с. использовался в течение шести месяцев в качестве заводного двигателя на шахте Корбина Холл. Дадли, который мог поднять груз массой 1 тонну на 180 футов за 1 минуту. Дисковые двигатели стоят от 96 фунтов стерлингов за машину мощностью 8 л.с. до 300 фунтов за модель мощностью 30 л.с.

Рэнсомы из Ипсвича (впоследствии ставшие известными сельскохозяйственными инженерами, Рэнсомы и симы ) выставил переносной паровой двигатель на Королевское шоу в Ливерпуле в 1841 г. - дисковый двигатель BPDE мощностью 5 л.с.

К 1840 году лодка по каналу, Эксперимент, приводимый в движение двигателем Дэвиса, использовался для испытаний гребного винта, и в 1842 году Дэвис установил дисковый двигатель и дисковый насос на барже для канала, что он продемонстрировал, осушив1⁄2 миля канала Стоурбридж. В том же году на одном из HMS был установлен двигатель мощностью 5 л.с. Гейзер булавки. Однако судебные процессы на Темзе и над директорами канала Гранд-Джанкшн не убедили ни Адмиралтейство, ни владельцев канала.

Тем не менее, был возрастающий интерес к использованию энергии пара на каналах, и небольшая балка лодок для каналов очень благоприятствовала дисковым двигателям. Дэвис увидел свою возможность и в 1843 году построил канальный буксир с железным корпусом и двигателем BPDE мощностью 16 л.с. Чтобы свести к минимуму мытье, он установил четыре гребных винта, расположенных вдоль вала по длине лодки и заключенных в трубу ниже ватерлинии. Два таких силовых агрегата располагались бок о бок, всего 8 движителей. Это сработало достаточно хорошо, чтобы убедить директоров соединительного канала Бирмингема и Ливерпуля заказать шесть буксиров, которые могли буксировать до шестнадцати барж в день с разумной скоростью. Ежедневно из порта Элсмир и Вулверхэмптона отправлялся состав из шести-восьми барж, перевозящих в среднем 100 тонн. К сожалению, никто не подумал, каким образом баржовый поезд должен пройти через шлюзы каналов и отмели. Каждое такое препятствие означало, что поезд должен был быть отцеплен, а баржи индивидуально перемещены или буксированы лошадьми через препятствие, прежде чем поезд будет собран на другой стороне. Это свело на нет преимущества буксира и поезда, и в 1845 году директора канала сняли буксиры с эксплуатации.

В 1844 году БПДЭ развалилось.[14] На продажу было выставлено оборудование для мастерских, различные укомплектованные двигатели и объем незавершенного производства. Во время судебного разбирательства в 1851 году после банкротства двух основных инвесторов BPDE было сказано, что дисковый двигатель не принес прибыли и что полагаться на него как на реализуемый актив «абсурдно».

Бишопп

Конкурентом Дэвиса и Тейлора был бывший машинист локомотива. Джордж Дэниэл Бишопп, который имел Донкин и Ко построил свой первый двигатель в 1840 году, а в 1845 году был получен патент. Партнеры Барнард Уильям Фари и Брайан Донкин-младший запатентовали улучшения базовой конструкции; Донкин работал с Бишоппом над его оригинальным двигателем, а Фари был сотрудником Донкинса.

Двигатель Бишоппа встретил некоторый скептицизм в отраслевой прессе, когда он был выпущен на рынок. Но Бишопп решил вернуться к оригинальной конструкции Dakeynes, которая имела вилку, которая принимала большую часть динамических сил и значительно снижала нагрузку на подшипники и уплотнения. В случае утечки уплотнения регулировались. Вдобавок, двигатели Бишоппа производили компании с признанными инженерными возможностями, а не занимались собственным производством; как и двигатель Донкина, некоторые из его первых двигателей были построены Джозеф Уитворт и Ко Манчестера. Еще одна инжиниринговая компания с очень хорошей репутацией была Г. Ренни и сын из Лондона, которые были настолько убеждены в потенциале двигателя, что в 1849 году они наняли Бишоппа в качестве своего мастера по работе с особой ответственностью за дисковый двигатель.

К 1849 году было продано несколько двигателей Бишоппа, и один из них с большим успехом использовался для работы печатных машин Раз газета, а другая, выпущенная G. Rennie and Son, использовалась для питания железной канонерской лодки HMS. Minx. В Раз двигатель был построен Витвортом и демонстрировался на Большая выставка 1851 года где он работал плавно и тихо и впечатлял всех, кто его видел.

В 1853 году у Ренни был приобретен дисковый двигатель диаметром 13 дюймов для приведения в движение 55-футовой русской канонерской лодки, которая развивалась на скорости 7 узлов (13 км / ч; 8,1 миль в час).[15]

В то время преимущества дискового двигателя были перечислены в 1855 г. Журнал Механики в качестве:[15]

  • Это было как половину веса обычного парового двигателя эквивалентной мощности.
  • Он обладал преимуществами роторных паровых двигателей без их неудобств.
  • По топливу он был экономичнее: аж на 18%.
  • Он был способен развивать более высокие обороты без необходимости переключения передач.
  • Подходит для работы под высоким давлением

Дисковые двигатели в конечном итоге вышли из употребления из-за конкуренции со стороны современных высокоскоростных паровых двигателей, которые были небольшими и легкими и могли предлагать такие функции, как компаундирование. Кроме того, обычные двигатели не требовали такой точности изготовления, как дисковые, и утечка пара не была проблемой.

Счетчики воды

Дисковый расходомер с нутацией, использующий ту же геометрию и концепцию, что и оригинальный двигатель Dakeynes.[16][17] вероятно, наиболее широко используемый расходомер в мире, и утверждается, что более половины счетчиков воды, установленных в жилых помещениях в США и Европе, относятся к этому типу. Используемый в течение 150 лет, это по существу дисковый двигатель Dakeyne и, скорее всего, был разработан Фэри и Донкин, которые упомянули «измеритель жидкости» в своем патенте на дисковый двигатель 1850 года, выданном в 1850 году. К 1859 году они производились компанией Buffalo Meter из Буффало, Нью-Йорк.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Патент США 5,251,594, Мейер, Леонард, "Нутация двигателя внутреннего сгорания", выпущенный 1993-10-12 
  2. ^ Коракианитис, Т .; Meyer, L .; Борута, М .; Маккормик, Х. Э. (апрель 2004 г.). «Внедрение и прогнозирование работы двигателя нутирующего диска». Журнал инженерии газовых турбин и энергетики. 126 (2): 294–99. Дои:10.1115/1.1635394.
  3. ^ Коракианитис, Т .; Meyer, L .; Борута, М .; Маккормик, Х. Э. (июль 2004 г.). «Характеристики однодискового нутирующего двигателя для беспилотных летательных аппаратов». Журнал инженерии газовых турбин и энергетики. 126 (3): 475–81. Дои:10.1115/1.1496770.
  4. ^ Коракианитис, Т .; Meyer, L .; Борута, М .; Маккормик, Х. Э. (июль 2004 г.). «Альтернативные конфигурации двигателя с несколькими нутационными дисками для различных приложений». Журнал инженерии газовых турбин и энергетики. 126 (3): 482–88. Дои:10.1115/1.1688770.
  5. ^ Коракианитис, Т .; Meyer, L .; Борута, М .; Jerovsek, J .; Мейтнер, П. Л. (октябрь 2009 г.). «Работа двигателя с одинарным нутирующим диском в диапазоне мощностей от 2 до 500 кВт». Прикладная энергия. 86 (10): 2213–21. Дои:10.1016 / j.apenergy.2009.01.006.
  6. ^ Двигатель Nutating - отчет о ходе работы и результаты испытаний прототипа двигателя, (Питер Л. Мейтнер, Исследовательская лаборатория армии США, Исследовательский центр Гленна, Кливленд, Огайо), (Майк Борута и Джек Джеровсек, KINETIC / BEI LLC, Южный Элгин, Иллинойс) NASA / TM — 2006-214342 ARL – MR – 0641 НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЛАБОРАТОРИЯ АРМИИ США, рис.6.
  7. ^ http://www.sportscardesigner.com/hp_per_lb.jpg
  8. ^ «Двухтактные двигатели для БПЛА: информация собрана BML». Архивировано из оригинал на 2009-03-01. Получено 2007-12-31.
  9. ^ "Самолет пустыни". Архивировано из оригинал на 2007-09-17. Получено 2007-12-31.
  10. ^ McMaster Motor
  11. ^ Гловер, Стивен (1829). История графства Дерби. Генри Мозли и сын. п. 363.
  12. ^ Гловер, Стивен (1833). "History & Gazetteer Of Derbyshire": 354. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  13. ^ Никсон, Франк (1969). «Промышленная археология Дербишира». Дэвид и Чарльз: 102. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  14. ^ Берн, Роберт Скотт (1857). Паровой двигатель. Лондон: Уорд и Лок. С. 108–109.
  15. ^ а б Журнал Механики. Лондон: Робертсон, Бруман и Ко. 1855. стр.267 –268.
  16. ^ Ниагарские метры: чертеж контрольного диска
  17. ^ Счетчики Херси - Дисковый водомер прямого вытеснения серии 400

внешняя ссылка

История
Технические отчеты