stringtranslate.com

Пневматический двигатель

В самолете Виктора Татина 1879 года в качестве силовой установки использовался пневматический двигатель. Оригинальное ремесло в Музее воздуха и космоса .
Первая подводная лодка с механическим приводом , французская подводная лодка «Плонжер » 1863 года , использовала двигатель на сжатом воздухе. Морской музей (Рошфор) .

Пневматический двигатель ( пневматический двигатель ) или двигатель на сжатом воздухе — это тип двигателя , который выполняет механическую работу за счет расширения сжатого воздуха . Пневматические двигатели обычно преобразуют энергию сжатого воздуха в механическую работу посредством линейного или вращательного движения. Линейное движение может осуществляться либо мембранным, либо поршневым приводом, а вращательное движение обеспечивается пневматическим двигателем лопастного типа, поршневым пневматическим двигателем, воздушной турбиной или двигателем шестеренного типа.

За последние два столетия пневматические двигатели существовали во многих формах, начиная от ручных двигателей и заканчивая двигателями мощностью до нескольких сотен лошадиных сил. Некоторые типы полагаются на поршни и цилиндры; другие используют щелевые роторы с лопастями (лопастные двигатели), а третьи используют турбины. Многие двигатели на сжатом воздухе улучшают свои характеристики за счет нагрева поступающего воздуха или самого двигателя. Пневматические двигатели нашли широкое применение в производстве ручных инструментов [1] , но также используются стационарно в широком спектре промышленных применений. Предпринимаются постоянные попытки расширить их использование в транспортной отрасли. Однако пневматические двигатели должны преодолеть неэффективность, прежде чем они станут жизнеспособным вариантом в транспортной отрасли.

Классификация

Линейный

Для достижения линейного движения от сжатого воздуха чаще всего используется система поршней. Сжатый воздух подается в герметичную камеру, в которой находится вал поршня. Также внутри этой камеры вокруг вала поршня навита пружина, чтобы удерживать камеру полностью открытой, когда в камеру не накачивается воздух. Когда воздух подается в камеру, сила, действующая на шток поршня, начинает превосходить силу, действующую на пружину. [2] По мере того, как в камеру подается больше воздуха, давление увеличивается, и поршень начинает двигаться вниз по камере. Когда он достигает максимальной длины, давление воздуха из камеры сбрасывается, и пружина завершает цикл, закрывая камеру и возвращаясь в исходное положение.

Поршневые двигатели наиболее часто используются в гидравлических системах. По сути, поршневые двигатели аналогичны гидравлическим двигателям, за исключением того, что они используются для преобразования гидравлической энергии в механическую [3] энергию. [4]

Поршневые двигатели часто используются последовательно из двух, трех, четырех, пяти или шести цилиндров, заключенных в корпус. Это позволяет поршням передавать больше мощности, поскольку несколько двигателей синхронизированы друг с другом в определенные моменты своего цикла.

Практический механический КПД, достигаемый поршневым пневматическим двигателем, составляет 40–50%. [5]

Робот-роботеспиан с линейными двигателями в бицепсах

Роторно-лопастные двигатели

Лопастной двигатель

Тип пневматического двигателя, известный как роторно-лопастной двигатель, использует воздух для создания вращательного движения вала. Вращающийся элемент представляет собой ротор с прорезями, установленный на приводном валу. В каждом пазу ротора установлена ​​свободно скользящая прямоугольная лопатка. [4] Лопасти придвигаются к стенкам корпуса с помощью пружин, кулачков или давления воздуха, в зависимости от конструкции двигателя. Воздух подается через вход двигателя, который давит на лопасти, создавая вращательное движение центрального вала. Скорость вращения может варьироваться от 100 до 25 000 об/мин в зависимости от нескольких факторов, включая величину давления воздуха на входе в двигатель и диаметр корпуса. [2]

Одним из применений лопастных пневматических двигателей является запуск крупных промышленных дизельных или газовых двигателей. Накопленная энергия в виде сжатого воздуха, азота или природного газа поступает в герметичную камеру двигателя и оказывает давление на лопасти ротора. Это заставляет ротор вращаться с высокой скоростью. Поскольку для запуска двигателя маховику двигателя требуется большой крутящий момент, используются понижающие передачи. Редукторы создают высокий крутящий момент при меньших затратах энергии. Эти редукторы позволяют создавать достаточный крутящий момент маховиком двигателя, пока он находится в зацеплении с ведущей шестерней пневматического двигателя или пневматического стартера.

Турбинные двигатели

Воздушные турбины вращают бор в высокоскоростных стоматологических наконечниках со скоростью более 180 000 об/мин, но с ограниченным крутящим моментом . Турбина достаточно мала , чтобы поместиться в кончике наконечника, не увеличивая при этом вес.

Приложение

Пневматические двигатели широко применяются в ручных инструментах, ударных гайковертах, импульсных инструментах, отвертках, гайковертах, дрелях, шлифовальных машинах, шлифовальных машинах и т. д. Пневматические двигатели также используются стационарно в широком спектре промышленных применений. Хотя общая энергоэффективность пневматических инструментов низка и они требуют доступа к источнику сжатого воздуха, они имеют ряд преимуществ перед электрическими инструментами. Они обеспечивают большую удельную мощность (пневматический двигатель меньшего размера может обеспечивать ту же мощность, что и электродвигатель большего размера), не требуют вспомогательного регулятора скорости (что повышает его компактность), выделяют меньше тепла и могут использоваться в более нестабильных атмосферах. так как они не требуют электроэнергии [6] и не создают искр. Их можно нагружать до упора с полным крутящим моментом без повреждений. [7] КПД роторно-поршневого двигателя сильно зависит от потерь механической энергии. Величина механических потерь, по разным оценкам, может составлять 20 % энергии, подводимой к двигателю. [8] В то же время экспериментально было показано, что эффективность двигателя можно повысить за счет использования антифрикционных присадок к смазочному маслу. [9]

Исторически многие люди пытались применить пневматические двигатели в транспортной отрасли. Гай Негре, генеральный директор и основатель Zero Pollution Motors, является пионером в этой области с конца 1980-х годов. [10] Недавно Engineair также разработала роторный двигатель для использования в автомобилях. Engineair размещает двигатель непосредственно рядом с колесом автомобиля и не использует промежуточных частей для передачи движения, что означает, что почти вся энергия двигателя используется для вращения колеса. [11]

История транспорта

Пневматический двигатель впервые был применен на транспорте в середине 19 века. Хотя о первом зарегистрированном автомобиле на сжатом воздухе известно мало, говорят, что французы Андро и Тесси из Моте управляли автомобилем с пневматическим двигателем на испытательном треке в Шайо, Франция, 9 июля 1840 года. Сообщалось, что проект оказался успешным, но пара не рассматривала возможность дальнейшего расширения конструкции. [12]

Первым успешным применением пневматического двигателя на транспорте стал пневматический двигатель системы Мекарски, используемый в локомотивах. Инновационный двигатель Мекарски преодолел охлаждение, которое сопровождает расширение воздуха, путем нагревания воздуха в небольшом котле перед использованием. Tramway de Nantes , расположенный в Нанте, Франция, был известен как первый, кто использовал двигатели Мекарски для питания своего парка локомотивов. Трамвай начал работу 13 декабря 1879 года и продолжает работать по сей день, хотя в 1917 году пневматические трамваи были заменены более эффективными и современными электрическими трамваями.

Американец Чарльз Ходжес также добился успеха с пневматическими двигателями в локомотивной промышленности. В 1911 году он спроектировал пневматический локомотив и продал патент компании HK Porter в Питтсбурге для использования на угольных шахтах. [13] Поскольку пневматические двигатели не используют сгорание, они были гораздо более безопасным вариантом в угольной промышленности. [12]

Многие компании [ кто? ] утверждают, что разрабатывают автомобили на сжатом воздухе , но на самом деле ни один из них не доступен для покупки или даже для независимых испытаний.

Инструменты

В ударных гайковертах , импульсных инструментах, динамометрических ключах , отвертках , дрелях , шлифовальных машинах , шлифовальных машинах , шлифовальных машинах , стоматологических борах , шиномонтажных станках и других пневматических инструментах используются различные пневматические двигатели . К ним относятся лопастные двигатели, турбины и поршневые двигатели.

Торпеды

В наиболее успешных ранних формах самоходных торпед использовался сжатый воздух высокого давления , хотя его заменили двигатели внутреннего или внешнего сгорания, паровые двигатели (приводимые в движение каталитическим разложением перекиси водорода) или электродвигатели.

Железнодорожные пути

Пневматические двигатели использовались в трамваях и маневровых поездах и со временем нашли успешную нишу в горных локомотивах, хотя в конце концов их заменили подземные электропоезда. [14] С годами конструкции усложнялись, в результате чего появился двигатель тройного расширения с воздухо-воздушными промежуточными перегревателями между каждой ступенью. [15] Для получения дополнительной информации см. «Беспожарный локомотив и система Мекарски» .

Полет

Водяные ракеты используют сжатый воздух для приведения в действие водяной струи и создания тяги. Их используют в качестве игрушек.

Air Hogs , бренд игрушек, также использует сжатый воздух для привода поршневых двигателей в игрушечных самолетах (и некоторых других игрушечных транспортных средствах).

Автомобильная промышленность

В настоящее время существует некоторый интерес к разработке воздушных автомобилей . Для них было предложено несколько двигателей, но ни один из них не продемонстрировал производительность и длительный срок службы, необходимые для личного транспорта.

Энергайн

Energine Corporation была южнокорейской компанией, которая утверждала, что поставляет полностью собранные автомобили, работающие на гибридном пневматическом и электрическом двигателе. Пневматический двигатель используется для активации генератора переменного тока , что расширяет возможности автономной работы автомобиля. Генеральный директор был арестован за мошенническую рекламу пневматических двигателей с ложными утверждениями. [17]

ДвигательВоздух

Австралийская компания EngineAir производит роторный двигатель , работающий на сжатом воздухе, под названием « Двигатель Ди Пьетро» . Концепция двигателя Ди Пьетро основана на роторном поршне. В отличие от существующих роторных двигателей, двигатель Ди Пьетро использует простой цилиндрический вращающийся поршень (привод вала), который катится с небольшим трением внутри цилиндрического статора. [18]

Его можно использовать в лодках, автомобилях, грузовых автомобилях и других транспортных средствах. Для преодоления трения необходимо давление всего 1 фунт на квадратный дюйм (≈ 6,8 кПа ). [19] [20] Двигатель также был представлен в программе ABC «Новые изобретатели» в Австралии 24 марта 2004 года. [21]

К'Аэромобили

Транспортные средства K'Airmobiles предназначались для коммерциализации в рамках проекта, разработанного во Франции в 2006–2007 годах небольшой группой исследователей. Однако проекту не удалось собрать необходимые средства.

Следует отметить, что тем временем команда осознала физическую невозможность использования бортового сжатого воздуха из-за его низкой энергоемкости и тепловых потерь, возникающих из-за расширения газа.

В настоящее время проект с использованием запатентованного генератора K'Air, переоборудованного для работы в качестве двигателя на сжатом газе, должен быть запущен в 2010 году благодаря североамериканской группе инвесторов, но с целью разработки сначала экологически чистого двигателя. энергосистема. [22]

МДИ

В оригинальном воздушном двигателе Nègre один поршень сжимает воздух из атмосферы и смешивается с хранящимся в нем сжатым воздухом (который при расширении резко охлаждается). Эта смесь приводит в движение второй поршень, обеспечивая фактическую мощность двигателя. Двигатель MDI работает с постоянным крутящим моментом, и единственный способ изменить крутящий момент на колесах — это использовать шкивную передачу постоянного изменения, теряя при этом некоторую эффективность. Когда автомобиль остановлен, двигатель MDI должен был работать, теряя энергию. В 2001–2004 годах MDI перешла на конструкцию, аналогичную описанной в патентах Регуши (см. Ниже), датированных 1990 годом.

В 2008 году сообщалось, что индийский производитель автомобилей Tata рассматривал возможность установки двигателя на сжатом воздухе MDI в качестве опции для своих недорогих автомобилей Nano. [23] В 2009 году компания Tata объявила, что разработку автомобиля, работающего на сжатом воздухе, оказалось затруднительным из-за его малого запаса хода и проблем с низкими температурами двигателя.

Квазитурбина

Пневматический квазитурбинный двигатель представляет собой беспоршневой роторный двигатель на сжатом воздухе, в котором используется ротор ромбовидной формы , стороны которого шарнирно закреплены в вершинах.

Квазитурбина продемонстрировала себя как пневматический двигатель, использующий накопленный сжатый воздух. [24]

Он также может воспользоваться преимуществом усиления энергии, которое возможно за счет использования доступного внешнего тепла, например, солнечной энергии . [25]

Квазитурбина вращается при давлении всего 0,1 атм (1,47 фунтов на квадратный дюйм).

Поскольку квазитурбина представляет собой двигатель чистого расширения, а двигатель Ванкеля и большинство других роторных двигателей - нет, она хорошо подходит в качестве двигателя на сжатой жидкости, воздушного двигателя или воздушного двигателя. [25]

Регуши

Версия пневматического двигателя, разработанная Армандо Регуши, соединяет систему трансмиссии непосредственно с колесом и имеет регулируемый крутящий момент от нуля до максимума, что повышает эффективность. Патенты Регуши датированы 1990 годом. [26]

Команда Психо-Актив

Psycho-Active разрабатывает многотопливное/воздушно-гибридное шасси, которое должно стать основой для линейки автомобилей. Заявленная мощность — 50 л.с./литр. Используемый ими пневматический двигатель называется DBRE или роторный двигатель с канальными лопастями. [27] [28]

Несуществующие конструкции авиационных двигателей

Конгер мотор

Милтон М. Конгер в 1881 году запатентовал и предположительно построил двигатель, работающий на сжатом воздухе или паре, который использует гибкую трубку , которая образует клиновидную или наклонную стенку или упор в задней части тангенциального подшипника колеса и приводит его в движение. с большей или меньшей скоростью в зависимости от давления рабочей среды. [29]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Двигатели и управление ими, Пневматические двигатели - Все промышленные производители в категории - Видео» . Архивировано из оригинала 29 января 2011 г.
  2. ^ ab Инженеры Эдж. Конструкция и принцип действия пневмопривода. Получено с http://www.engineersedge.com/Hydraulic/pneumatic_actuator.htm.
  3. ^ Технология зонально-воздушного двигателя. Получено из "Пневмомоторов". Архивировано из оригинала 11 февраля 2010 г. Проверено 9 марта 2010 г.
  4. ^ ab Лопастные двигатели. Получено из «Лопастного двигателя». Архивировано из оригинала 19 октября 2009 г. Проверено 9 марта 2010 г.
  5. ^ Ю, Цихуэй; Хао, Сюэцин; Тан, Синь (2018). «Анализ производительности инновационного двухступенчатого воздушного двигателя поршневого типа». Достижения в области машиностроения . 10 (5). дои : 10.1177/1687814018773860 . S2CID  117374963.
  6. ^ Пневматические двигатели. Получено из "Пневмомоторов". Архивировано из оригинала 11 февраля 2010 г. Проверено 9 марта 2010 г.
  7. ^ Безопасность прежде всего и иллюстрированная информация о «Введение — пневматические двигатели Atlas Copco». Архивировано из оригинала 22 мая 2015 г. Проверено 22 мая 2015 г.
  8. ^ Митрофанов, Александр; Проскурин, Аркадий; Познанский, Андрей; Зивенко, Алексей (30 июня 2022 г.). «Определение мощности механических потерь в роторно-поршневом двигателе». Восточно-Европейский журнал корпоративных технологий . 3 (8 (117)): 32–38. дои : 10.15587/1729-4061.2022.256115. ISSN  1729-4061. S2CID  250395944.
  9. ^ Митрофанов, Александр; Проскурин, Аркадий; Познанский, Андрей; Зивенко, Алексей (31 августа 2023 г.). «Определение влияния антифрикционной присадки на мощность механических потерь в роторно-поршневом двигателе». Восточно-Европейский журнал корпоративных технологий . 4 (1 (124)): 28–34. дои : 10.15587/1729-4061.2023.284500 . ISSN  1729-4061.
  10. ^ Промышленная концепция. Получено из «Промышленная концепция – MDI Enterprises SA Voiture à air comprimé – Véhicules propres – Technologie прочные». Архивировано из оригинала 22 июля 2011 г. Проверено 13 июля 2011 г.
  11. ↑ Холл, К. (26 мая 2009 г.). Компания Zero Environmental Motors планирует в 2011 году запустить в США пневматический автомобиль с расходом топлива 106 миль на галлон [сообщение в веб-журнале]. Получено из статьи «Zero Pollution Motors планирует в 2011 году запуск в США воздушного автомобиля с расходом воздуха 106 миль на галлон — MotorAuthority». Архивировано из оригинала 2 ноября 2009 г. Проверено 13 июля 2011 г.
  12. ^ ab История транспортных средств на сжатом воздухе. (н-й). Получено из книги «Заводы авиационных автомобилей - история транспортных средств на сжатом воздухе». Архивировано из оригинала 3 ноября 2011 г. Проверено 14 ноября 2011 г.
  13. ^ Ходжес, CB (1912). Патент США № 1024778. Вашингтон, округ Колумбия: Ведомство США по патентам и товарным знакам.
  14. ^ «Пневматическая двигательная установка». Архивировано из оригинала 27 октября 2014 г. Проверено 7 ноября 2010 г.
  15. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинала 31 октября 2015 г. Проверено 11 мая 2014 г.{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )
  16. ^ Браун, Адольф : Люфтлокомотив в "Photographische Ansichten der Gotthardbahn", Дорнах-им-Эльзас, ок. 1875 г.
  17. ^ См. Пневматический автомобиль # Энергия.
  18. ^ "Инженер". Архивировано из оригинала 5 октября 2010 г. Проверено 7 ноября 2010 г.
  19. ^ "Инженер". Архивировано из оригинала 14 апреля 2008 г. Проверено 7 ноября 2010 г.
  20. ^ «Воздух двигателя». Архивировано из оригинала 25 июня 2007 г.
  21. ^ «Новые изобретатели: роторно-поршневой двигатель». Австралийская радиовещательная корпорация . Архивировано из оригинала 9 сентября 2011 г.
  22. ^ "K°Air Energy Inc." Архивировано из оригинала 15 февраля 2015 г.
  23. ↑ Войдыла, Бен (9 июля 2008 г.). «Tata Nano предложит опциональный пневматический двигатель, что заставит электромобили выглядеть глупо» . Архивировано из оригинала 16 октября 2011 г.
  24. ^ Квазитурбина с низкими оборотами в минуту и ​​высоким крутящим моментом с приводом от давления для высокоэффективной модуляции мощности. Рецензируемая коллегами статья - опубликована в журнале The Proceeding of Turbo Expo 2007 IGTI (Международный институт газовых турбин) и ASME (Американское общество инженеров-механиков). Краткое содержание. Архивировано 13 ноября 2006 г. на сайте Wayback Machine info.
  25. ^ ab «Квазитурбина> Тип> Пневматическая». Архивировано из оригинала 20 сентября 2011 г.
  26. ^ "РЕГУЩАИР - Дом" . Архивировано из оригинала 7 марта 2010 г.
  27. ^ «Психоактивные претенденты на автомобильную премию X-Prize». Архивировано из оригинала 27 июля 2011 г.
  28. ^ "РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С КАНАЛЬНЫМИ ЛОПАСТЯМИ DESIGN" . Архивировано из оригинала 4 марта 2016 г.
  29. ^ "Двигатель Конгера с гибкой трубкой с пневматическим приводом, 1881 | Machine-History.Com" . Архивировано из оригинала 14 июля 2011 г. Проверено 13 июля 2011 г.
  30. ^ "Циклический двигатель Proe Ericsson" . Архивировано из оригинала 29 апреля 2013 г.

Внешние ссылки