Аксиальный двигатель своими руками

SLY_G 7 июня 2015 в 22:04 Аксиальный ДВС Duke Engine Мы привыкли к классическому дизайну двигателей внутреннего сгорания, который, по сути, существует уже целый век. Быстрое сгорание горючей смеси внутри цилиндра приводит к увеличению давления, которое толкает поршень. Тот, в свою очередь, через шатун и кривошип крутит вал. Классический ДВС Если мы хотим сделать двигатель помощнее, в первую очередь нужно увеличивать объём камеры сгорания. Увеличивая диаметр, мы увеличиваем вес поршней, что отрицательно сказывается на результате. Увеличивая длину, мы удлиняем и шатун, и увеличиваем весь двигатель в целом. Или же можно добавить цилиндров — что, естественно, также увеличивает результирующий объём двигателя. С такими проблемами столкнулись инженеры ДВС для первых самолётов. Они, в конце концов, пришли к красивой схеме «звездообразного» двигателя, где поршни и цилиндры расположены по кругу относительно вала через равные углы. Такая система хорошо охлаждается потоком воздуха, но очень уж она габаритная. Поэтому поиски решений продолжались.

В 1911 году Macomber Rotary Engine Company из Лос-Анджелеса представила первый из аксиальных (осевых) ДВС. Их ещё называют «бочковыми», двигателями с качающейся (или косой) шайбой. Оригинальная схема позволяет разместить поршни и цилиндры вокруг основного вала и параллельно ему. Вращение вала происходит за счёт качающейся шайбы, на которую поочерёдно давят шатуны поршней.

У двигателя Макомбера было 7 цилиндров. Изготовитель утверждал, что двигатель был способен работать на скоростях от 150 до 1500 об/мин. При этом на 1000 об/мин он выдавал 50 л.с. Будучи изготовлен из доступных в то время материалов, он весил 100 кг и имел размеры 710×480 мм. Такой двигатель был установлен в самолёт авиатора-первопроходца Чарльза Фрэнсиса Уолша «Серебряный дротик Уолша».

Не остались в стороне и советские инженеры. В 1916-м году появился двигатель конструкции А. А. Микулина и Б. С. Стечкина, а в 1924 г — двигатель Старостина. Об этих двигателях знают, пожалуй, только любители истории авиации. Известно, что детальные испытания, проведенные в 1924 г, выявили повышенные потери на трение и большие нагрузки на отдельные элементы таких двигателей.

Двигатель Старостина из музея авиации в Монино

Гениальный и слегка безумный инженер, изобретатель, конструктор и бизнесмен Джон Захария Делореан мечтал построить новую автомобильную империю в пику существующим, и сделать совершенно уникальный «автомобиль мечты». Все мы знаем машину DMC-12, которую называют просто DeLorean.

Она не только стала звездой экрана в фильме «Назад в будущее», но и отличалась уникальными решениями во всём — начиная от алюминиевого кузова на плексигласовом каркасе и заканчивая дверями «крылья чайки». К сожалению, на фоне экономического кризиса производство машины не оправдало себя.

А затем Делореан долго судился по подложному делу о наркотиках.

Но мало кто знает, что Делореан хотел дополнить уникальный внешний вид машины ещё и уникальным мотором — среди найденных после его смерти чертежей были и чертежи аксиального ДВС. Судя по его письмам, он задумал такой двигатель ещё в 1954 году, а всерьёз принялся за разработку в 1979-м. В двигателе Делореана было три поршня, и они располагались равносторонним треугольником вокруг вала. Но каждый поршень был двусторонним — каждый из концов поршня должен был работать в своём цилиндре. Чертёж из тетради Делореана

По каким-то причинам рождение двигателя не состоялось — возможно, потому, что разработка автомобиля с нуля вышло достаточно сложным предприятием. На DMC-12 устанавливали 2,8-литровый двигатель V6 совместной разработки Peugeot, Renault и Volvo мощностью 130 л. с. Пытливый читатель может изучить сканы чертежей и заметок Делореана на этой странице.

Экзотический вариант аксиального двигателя — «двигатель Требента» Тем не менее, такие двигатели не получили широкого распространения — в большой авиации постепенно состоялся переход на турбореактивные двигатели, а в автомобилях по сию пору используется схема, в которой вал перпендикулярен цилиндрам. Интересно только, почему такая схема не прижилась в мотоциклах, где компактность пришлась бы как раз кстати. По-видимому, они не смогли предложить какой-либо существенной выгоды по сравнению с привычным нам дизайном. Сейчас такие двигатели существуют, но устанавливаются в основном в торпедах — благодаря тому, как хорошо они вписываются в цилиндр. Вариант под названием «Цилиндрический энергетический модуль» с двусторонними поршнями. Перпендикулярные штоки в поршнях описывают синусоиду, двигаясь по волнистой поверхности Главная отличительная черта аксиального ДВС — компактность. Кроме того, в его возможности входит изменение степени сжатия (объёма камеры сгорания) просто путём изменения угла наклона шайбы. Шайба качается на валу благодаря сферическому подшипнику.

Однако новозеландская компания Duke Engines в 2013 году представила свой современный вариант аксиального ДВС. В их агрегате пять цилиндров, но всего лишь три форсунки для впрыска топлива и — ни одного клапана. Также интересной особенностью двигателя является тот факт, что вал и шайба вращаются в противоположных направлениях.

Внутри двигателя вращаются не только шайба и вал, но и набор цилиндров с поршнями. Благодаря этому удалось избавиться от системы клапанов — движущийся цилиндр в момент зажигания просто проходит мимо отверстия, куда впрыскивается топливо и где стоит свеча зажигания. На стадии выпуска цилиндр проходит мимо выпускного отверстия для газов. Благодаря такой системе количество необходимых свечей и форсунок получается меньшим, чем количество цилиндров. А на один оборот приходится в сумме столько же рабочих ходов поршня, как у 6-цилиндрового двигателя обычного дизайна. При этом вес аксиального двигателя на 30% меньше. Кроме того, инженеры из Duke Engines утверждают, что и степень сжатия их двигателя превосходит обычные аналоги и составляет 15:1 для 91-го бензина (у стандартных автомобильных ДВС этот показатель равен обычно 11:1). Все эти показатели могут привести к уменьшению расхода топлива, и, как следствие — к уменьшению вредного воздействия на окружающую среду (ну или к увеличению мощности двигателя — в зависимости от ваших целей). Сейчас компания доводит двигатели до коммерческого применения. В наш век отработанных технологий, диверсификации, экономии на масштабе и т.п. сложно представить, как можно серьёзно повлиять на индустрию. В Duke Engines, по-видимому, это тоже представляют, поэтому намереваются предлагать свои двигатели для моторных лодок, генераторов и малой авиации. Демострация малых вибраций двигателя Duke

Роторные и пластинчато-роторные, аксиальные двигатели, не ванкели. (ВладиславЛ)

Автор ограничивается проектами и реальными двигателями, машинами расширения с коими имел возможность виртуально или вживую ознакомится, а также собственными проектами ДВС/машин. Я имел возможность изучить и другие двигатели от авторов как впрямую так и по Сети в переписке.

В частности запала машина Макушенко ОЧЕНЬ необычный двигатель на 4 рабочих объёма всего из 5 подвижных основных частей, в 2000 примерно показывал анимацию работы, потрясающе простая машина. Из особенностей главных что поразило: такому двигателю, ДВС в т.ч.

, совсем не нужно иметь корпус как в патенте, достаточно нескольких жёстко закреплённых относительно друг друга осей вращения. Также ненужны выпускные клапана.

Как видится машина Макушенко годится для стационарного генератора и требует применения ряда технологий часть коих мои. Как для ДВС так и для машины паровой малогабаритной, например для когенерационных установок квартир и коттеджей.

Юрий Михайлович, я с ним работал в лаборатории Сейсяна в ФТИ, показывал видео его машины там всего 5 подвижных частей и нет корпуса — он динамически образуется самими роторами.

РОТОРНО-ПОРШНЕВАЯ МАШИНА МАКУШЕНКО RU 92 006 194 A

То что было показано на моделированном ролике существенно отличалось от того что было в патенте, отличие было как в простоте так и в числе рабочих камер, динамически образующихся, так например постоянно образующихся 4 камеры вместо одной.

 Т.е.

его система с некоторыми наворотами того что планировал применять для своей по мотивам машины Голубева можно было бы применять без тяжёлых элементов конструкции, в частности было найдено решение вопроса момента входа ротора и динамической герметизации, мною в 1991 году.

Стоит отметить отдельно как одно из главных преимуществ машины Юрия Михайловича — его двигатель не имеет-возвратно-поступательныхх движений, т.е. потенциально очень тихий как и сам изобретатель был, светлая ему память, и невибрационный.

МАШИНА ГОЛУБЕВА

(Обратите внимание где печатались патенты — Ужгород  (Унгвар в оригинале, основан западными славянами и венграми) Западная Украина, т.е. всё что не смогли стащить в самом патентном ведомстве, а это чуть больше чем всё, утаскивалось там.)

В чём-то машина Голубева подобна аксиально-поршневым двигателям торпед, они будут описаны ниже, но вместо пластины качается сам блок цилиндров.

Стоит отметить что на машину голубева ещё в 1980 был получен патент США.

На заднем плане на видео испытаний по-видимому шарнира Голубева, видна разобранная машина Голубева, работала как пневмодвигатель, в принципе могла бы применяться и на БелАЗ-ах в рамках мотор-колёс с пневмотрасмиссией и непрерывным генератором давления, рабочее тело с обратным током, замкнутый пневмоконтур, ввиду большого крутящего момента и компактности, но не срослось в Белой Руси:
 

Также интересно одно из последних его запатентованных изобретений — двигательно-движительый комплекс, пригодный для аэросаней и небыстрой воздушной техники, возможно мелких дронов с возможностью висения, как у пустельги:

В целом наследие Владимира Иосифовича — технологический пассив СССР/Беларуси, который так и не превратился в актив, ввиду определённых не решённых им задач, высокой сложности изготвления (печати прецизионной металлом не было да и сейчас 5-координатника прецизионного или специального станка на финишной требует. В частности меня удивляет и я выражал своё недоумение в переписке, общались на ФБ т.е . всё в США известно, зачем городить отдельный генератор для такой машины, тогда как Владимир Иосифович был превосходным электротехником и мог встроить генератор с предельными параметрами в сам ДВС, во всяком случае в версии того что придумал в 1992 у меня именно так и было, правда и было кардинальное отличие — мною были применены решения нигде ранее не применявшиеся в двигателестроении в т.ч. в подобных генераторах на то время с огромными градиентами температур, требовавшими неметаллических сверхпрочных материалов.

Какие-то решения были ранее, в частности вращающися бо цилиндров. Вспоминаем ротативные двигатели «Gnome Monosoupape» зари авиации, имевших весьма интересную и весоэкономящую поначалу конструкцию.

• Их можно увидеть вживую в Монино и кажется в Гатчинском музее авиадвигателей.
• Мой лично двигатель по мотивам машины Голубева 1992/2013гг версия. 
• Основной вариант ДВС, хотя позднее нашёл вариант когда он ненужен и используется в стиле Хуго Юнкерса: отдельная камера сгорания с генератором давления рабочего тела, также данный способ годен для анаэробных источников тепла, в частности расплавов солей — в СССР ведущим по обратимым термо и термофотохимическим системам был академик Семёнов, запасаемый КПД сквозной (запасание и отдача) 35% и более что не очень, но зато стоимость некоторых систем всего в первые разы выше на выделяемое тепло стоимости бензина притом что число циклов может доходить с очисткой до первых сотен и это негорючие принципиально вещества, можно тушить огонь (к диверсии, предположительно литиевых батарей на «Лошарике»).

Возможно одно из главных отличий именно ДВС и одного из типов с внешним детонационным сгоранием — применяемое топливо. Это очищенный СПГ, жидкий метан, возможно применение жидкого водорода или смесей жидких газов не дающих нагара.

Его выбор неслучаен, т.к. он же используется и для охлаждения постоянных магнитов (точка Кюри хоть и высокая но ниже 1200-1300К), так и для некоторых других. Использование динамических эффектов газовой смазки/запирания.

Материал принят ростовая или позднее порошковая спеканием керамика, с сильной анизотропией свойств. В последнем случае возможно вставить нужные системы и она обеспечивает приемлемые уровни теплосопротивлений, терпит огромный градиент температур. Иначе расхода жидкогазового топлива никак не хватит на охлаждение.

В варианте с генератором он встроен в цилиндры и стенки качающегося бока цилиндров. Для крупных ныне применима ВТСП 2 поколения с 300А/см — обмотки очень тонкие, 0,1мм и сам кабель производится в РФ, хотя тут заказное изделие выйдет:

Для термоизоляции применяются решения, найденные мной при работе над вакуумными сендвич панелями в 2009-2011гг. Первоначальные расчётные несколько часов при 2000К удалось довести до сотен, это не для двигателя случай рассчитывался, т.е. без учёта охлаждения фазовым переходом.

К примеру использование моторно-винтовых блоков позволяет создавать дроны с диаметром фюзеляжа порядка 100мм и крейсерской скорости свыше 200м/с, судя по расчётной тяге, до 100кг на высоте 10км при скорости 750 км/ч укладывая их вес в 30 кг пресловутые.

Выполнить подобное на металле невозможно. Для наземных/подводных, можно хромоникелевые жаропрочные сплавы с ниобием, подходят с обработкой трущихся частей с целью создания износостойкого покрытия — в начале и конце работы это важно.

ПуВРД вылезет и дальность, ресурс куда меньше будет.

Ещё одним двигателем-движителем для наземной/амфибийной/подводной в т.ч. для ныряния в болотах жидких техники мной предложенным является двигатель без обычных камеры сгорания и прочего.

Меня мучила, в некотором роде, мысль, что нельзя иметь производство надёжного и вездеходного двигателя и движителя вдали от промышленных центров т.е. прямо в той же тундре или в тайге. В дальнейшем также думал о том на чём роботы будут до пространственных решений перемещаться, ноги не всегда адекватны.

Пока вариант не без синтеза из получаемого с природных источников, тех же бурых углей/торфа и воды через метан полимерных плёнок и деталей.

Используется тот или иной генератор давления, например детонационный, ресивер (их пока два), рабочее газовое тело и для водных волновой движитель для наземных колесо-гусеница, т.е.

когда надо оно едет когда надо ползёт, изменяя в раз 10 площадь опорной поверхности ввиду возможности помимо приведения его в движение иметь и постоянно регулируемый поддув в камерах.

Фишка в том что это всё можно выполнить без применения высокотемпературных материалов, работает давление детонационной волны а не обычное тепловое расширение, поэтому конструкция может быть выполнена например из некоторых пластиков.

Также ввиду определённых параметров возможно превращение оной гусеницы/колеса в некое подобие гребного, простые опыты на проверку качественную наличия ожидаемых эффектов в начале этого и в прошлом году провёл.

Аксиально-поршневые двигатели

Одним из первых кто предложил аксиально-поршневой ДВС был Smallbone, о нём есть статья на топваре. Посему опущу его описание.

Позднее появились разные аксиально-пластинчатые ДВС и машины расширения,

Силовая установка по мотивам немецких относительно современной торпеды УГСТ, подробнее по ней и ДВС: http://nevskii-bastion.ru/ugst-torpeda/

Что-то есть Центральном Военно-Морском музее в Санкт-Петербурге. Насколко они выставлены после переезда из здания Биржи (должны были отдать всю Новую Голландию под оный музей, там высочайшего мирового класса коллекции живописи, крупных моделей судов, оружия) — вопрос.

Из дальнейших модификаций подобных двигателей, кстати ближе к оригиналу Смаллборна, можно отметить «революционный», «инновационный» ДВС Дика. То что лет за 100 до него был получен патент никого не смущает.

1. Двигатель аксиально-поршневой «Duke» 
2. К наиболее важным особенностям помимо компактности можно отнести очень низкий уровень вибраций, из тех что выпускается сравнимо разве с многороторными ванкелями по ним:
    
3. К слову, сейчас есть вариант 5-цилиндровый для мототехники, дорог, малый ресурс, но компактен:

Сейчас он уже 4-тактный и с впрыском топлива. Полагаю реальная мощность в пределах 65-100кВт, что годно для скоростного дрона с диаметром корпуса менее 300мм.  Шла разработка 300кВт двигателя с удельной мощностью 3кВт/кг, что сравнимо с лучшими ванкелями форсированными.

«Performance potential for a «next generation» Duke offers a prospect of naturally aspirated 3.0Ltrs developing 300 kW operating at 8000 rpm from a 100 kg dressed engine (approx 80kg bare engine block). This next generation 3.0Ltr /300kW and 3kW/kg, long engine block would also fit in an 80L packing crate.»

Вместо клапанов обычных, если я правильно понял — ездящее кольцо, видна работа коллектива разработчиков по формированию потоков топливно-воздушной смеси в цилиндрах:

Обращает малый занимаемый объём и прежде всего сечение, которое намного меньше ванкеля или неотработанного Фольксвагеновского ДВС(дизель) OPOC Хофбауэра (Prof. Peter Hofbauer), у них также порядка 3кВт/кг в пределе, что очень интересно для скоростных подводных, привет торпедам и воздушных дронов.

3000ч если смогут обеспечить моторесурс вполне приемлемо, для военных применений если себестоимость невысока и сотен часов хватает — риск потерять довольно крупную, диаметр фюзеляжа 400мм машину выше.

К примеру, применение конкретно такого ДВС позволяет создать летающий на 750км/ч, кратковременно и у земли, дрон/КР с винтами противовращения. Крейсерская свыше 650км/ч на высоте.

Для сравнения, такой же мощности ванкель R13 позволяет иметь внешний диаметр не менее 620-650мм против 400-450мм, если данный проект будет успешным, что радикальным образом сказывается на лобовом сопротивлении.

ДВС легко можно сделать малозаметным по ИК, а вот ГТД и дороже и имеет здоровенный «факел» видимый о спутника/высотного дрона наблюдения. Кроме того такой ГТД будет всегда проигрывать ДВС по экономичности при равной (600кВт суммарно) общей мощности установки и если время полёта более 3-4 часов выигрыш в весе не даст выигрыша по дальности полёта КР или дрона.

• — весьма интересный с направленным движением поршней двигатель:
• Видно живое развитие идей двигателя выдающегося Инженера 19-20вв Хуго Юнкерса — его серийные авиадизеля Jumo-205 ставились на и самолёты.
• Позднее в СССР их на УССР приспособили как танковые дизеля, кстати весьма капризные, ча не понимали того что Юнкерс знал в 19 веке ещё, хотя и компактные по высоте.
• Вместе с тем в двигателе на анимашке видно что будет большая вибрация по сравнению с настоящими аксиальными двигателями, а не закошенными под них.

То же, высокий уровень вибраций и в двигателях по схеме Баландина, привожу их целый ворох из разных стран, «баландоиды», часть вполне себе работает в железе. Отличается от обычных оппозитников компактностью и меньшей массой, что интересно для авиации но не там где сечение и вибрации критичны, не для скоростных машин.

1. https://diyhangout.top/s/BALANDIN-ENGINE-MODEL/
2. Так выглядит модель 8-цилиндрового ДВС:
    
3. Машина Швецова, на момент подачи патента — руководителя КБ завода «Мотор», того самого Аркадия Дмитриевича, на ДВС которого летали лучшие советские самолёты в ВОВ, в частности лучший советский истребитель 1 половины ВОВ И-185, Ла-7 и до сих пор АН-2 летает, патент 1923 года, в чём-то смахивает на смесь усложнённой винтовой машины расширения и турбовинтового двигателя, в частности парогазовой турбины Кузьминского, разработанной в интересах флота Российской империи.

Сделай сам: собираю аксиальный генератор своими руками

В последнее время во всем мире просматривается явный тренд на использование «чистой» энергии. Решил внести свои «три копейки» в это движение и изготовил ветряк, чтобы без ущерба для природы можно было подзаряжать аккумуляторы. Тщательно изучил этот вопрос в интернете и решил, что больше всего для решения этой задачи подходит аксиальный генератор, собранный на основе неодимовых магнитов.

Подготовительный этап

Чтобы собрать генератор аксиального типа мне пришлось:

• найти автомобильную ступицу с тормозными дисками;
• заказать в интернет-магазине неодимовые магниты (25х8х4 мм);
• купить медный эмальпровод;
• приготовить эпоксидную смолу, стеклоткань, вазелин и фанеру;
• запастись металлической трубой, листовым металлом и металлопрофилем (для рамы и мачты);
• отыскать ПВХ-трубу диаметром 160 мм для лопастей.

Совет! Магниты лучше использовать прямоугольной формы, чтобы провод в катушках при выработке энергии работал эффективнее за счет увеличения площади магнитного поля. При этом количество магнитов зависит от числа катушек и способа их подключения.

После того, как материалы для изготовления всех элементов будущей конструкции были собраны, я разобрал автомобильную ступицу для того, чтобы очистить ее от грязи, ржавчины, а также смазать все подшипники и проверить их на работоспособность.

Сборка ротора

Изначально мне показалось, что это один из самых простых этапов, предусматривающих изготовление аксиального генератора своими руками. Казалось бы, совсем несложно приклеить на диск 20 неодимовых магнитов. Однако в ходе этого процесса необходимо учитывать их полярность и устанавливать строго на отведенное место.

Поэтому сначала я изготовил из бумаги шаблон, сделал маркером отметки о полярности на поверхности каждого магнита, и начал приклеивать их на диск при помощи суперклея, строго соблюдая пропорцию четыре полюса на три катушки, так как решил сделать трехфазный генератор. При использовании однофазной схемы магниты располагаются попарно, чередуясь полюсами.

Выбор трехфазного генератора был обусловлен тем, что такая схема по эффективности может до 50 % превосходить однофазный генератор. Кроме того, такой ветряк практически избавлен от вибраций и надоедливого шума. Поэтому единственным недостатком этой схемы является относительное усложнение сборки, что в этом случае не является критичным.

После того, как магниты были приклеены, я обмотал края диска несколькими слоями скотча и закрыл центральное отверстие кругом из фанеры. Получилась своеобразная форма с бортиками, которая была осторожно залита эпоксидной смолой. В качестве наполнителя был использован обыкновенный тальк (детская присыпка).

Примечание! Во время заливки рекомендую внимательно наблюдать за положением магнитов, которые должны занимать строго отведенные им места.

Осталось дождаться того момента, когда эпоксидка затвердеет. Это время можно с успехом потратить на подготовку к изготовлению статора.

Расчет и особенности намотки катушек

Новоявленные «кулибины» редко задумываются о том, как важны расчеты, чтобы аксиальный генератор для ветряка низкооборотистый работал с максимальной отдачей. Я в принципе не являюсь особым исключением.

Поэтому при расчетах воспользовался чужим опытом, благодаря которому стало понятно, что тихоходный генератор будет способен заряжать 12-вольтовый аккумулятор при 100-120 оборотах винта при наличии во всех статорных катушках от 1000 до 1200 витков эмальпровода.

Совет! Провод рекомендуется использовать как можно толще, чтобы максимально снизить сопротивление. В моем случае – это было 1,5 мм.

Для намотки катушек был применен самодельный станок, так как сделать качественно такую работу вручную практически невозможно. В результате получились обмотки эллипсоидной формы, внутренние отверстия которых были чуть больше ширины магнитов, чтобы более эффективно использовать лобные части катушек.

Сборка статора

Для начала мне пришлось создать из фанеры форму с крышкой и болтами в «ушах» статора для отливки главной детали своей самоделки. Далее я действовал по следующей схеме:

• уложил на дно формы стеклоткань;
• обработал все вазелином;
• разложил катушки и вывел концы проводов за пределы формы;
• залил эпоксидку с наполнителем из талька;
• накрыл катушки сверху слоем стеклоткани;
• закрыл форму крышкой и затянул болты, сделав своеобразный пресс.

Внимание! Толщина статора должна быть равна толщине магнитов, используемых для создания ветряка.

После того, как эпоксидная смола затвердела, разобрал форму, убедился в отсутствии трещин, распаял концы катушек «звездочкой» и приступил к окончательной сборке конструкции. По окончании работ были проведены испытания, во время которых выяснилось, что самодельный генератор даже при ручном вращении выдает напряжение до 40 В при силе тока до 10 А.

Изготовление винта

Лопасти для винта я вырезал из ПВХ-трубы диаметром 160 мм по чертежам, которые обнаружил в интернете. При этом нужно понимать, что малейшая неточность мгновенно отразиться на эффективности всей конструкции. Лично я выбрал схему с 5-ю лопастями, но трехлопастной вариант будет также эффективен, особенно в местности с сильными ветрами.

Пара советов по установке вышки под ветряк

Аксиальный генератор своими руками собирать довольно сложно. Поэтому будет обидно, если эта достаточно тяжелая конструкция рухнет на землю при первом порыве ветра. Чтобы этого не произошло нужно сделать следующее:

• изготовить крепление из металла для подъема и опускания ветряка;
• выкопать яму и установить самодельное крепление;
• залить конструкцию бетоном;
• закрепить ветрогенератор на одном конце 6-метровой трубы;
• поднять мачту и закрепить ее при помощи распорок.

Делать мачту ниже 6 метров в подавляющем большинстве случаев не имеет смысла, так как только на такой высоте, практически на всей территории России, регулярно циркулируют ветра, силы которых будет достаточно для эффективной работы ветряка.

Можно ли увеличить мощность самодельного ветрогенератора

Тщательно изучил этот вопрос и пришел к выводу, что уже собранный аксиальный генератор можно модернизировать двумя путями:

• использовать дополнительные магниты (наклеить их на уже существующий слой);
• установить в катушки металлические сердечники (можно использовать пластины от трансформаторов).

Тут стоит заметить, что изначально я хотел собрать аксиальный генератор совсем по другой схеме. Однако из-за отсутствия токарного станка пришлось отказаться от более сложного варианта, представлено в этом видеоролике

Что в итоге..

В целом я доволен своей самоделкой. При минимальных вложениях (а у некоторых подходящие детали и вовсе могут быть где-нибудь в гараже) получилось сделать достаточно полезную в хозяйстве вещь. Кстати, как показали испытания, в работу генератор включается уже при силе ветра всего в 2 м/с.

Напишите в х, свои мысли, какие есть способы модернизировать этот ветрогенератор, чтобы его мощности хватало для решения более серьезных задач?

Изучаем странные двигатели, застрявшие на обочине прогресса — ДРАЙВ

Двигатели Ванкеля, Стирлинга, разного рода газотурбинные установки так и не стали автомобильным мейнстримом. Ряд известных компаний (от Мазды до GM, от Мерседеса до Volvo) работали над ними десятки лет, упорствовали маленькие фирмы и отдельные изобретатели.

Увы, в конце концов выяснялось, что подводных камней в той или иной конструкции намного больше, чем казалось вначале. Но это не значит, что развитие альтернативных агрегатов невозможно.

Энтузиасты перебирают идею за идеей, и мне как инженеру-двигателисту интересно поделиться с вами рядом экзотических схем.

Некоторые создатели перспективных двигателей решили, что комбинация из цилиндра, поршня, шатуна и коленвала отлично себя зарекомендовала более чем за столетие и, чтобы улучшить параметры ДВС, не надо изобретать её заново — достаточно лишь подправить кое-какие аспекты.

Поэтому первый в нашем обзоре — мотор американской компании Scuderi Group, который имеет классические такты впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска, но происходят они не в одном и том же цилиндре, а в разных.

Так называемый холодный цилиндр отвечает за впуск и сжатие, а второй, горячий — за рабочий ход и выпуск.

В простейшем моторе Scuderi цилиндров два: поршень в холодном цилиндре отстаёт на 30 градусов поворота коленвала от собрата в горячем.

Пока в рабочем цилиндре идёт расширение газов, в холодном, компрессорном, — такт впуска. В рабочем — выпуск, в холодном — сжатие. В конце такта сжатия поршни приближаются к своим верхним мёртвым точкам, смесь через перепускной канал перебрасывается из холодного цилиндра в горячий и поджигается.

Такой разделённый цикл (в принципе — тот же цикл Отто, пусть и модифицированный) американцы придумали в 2006 году, а в 2009-м построили опытный Scuderi Split Cycle Engine.

У компрессорного и рабочего цилиндров могут быть разные диаметры и ходы поршней, что даёт гибко настраивать параметры — получается аналог цикла Миллера с дополнительным расширением газов.

Экспериментальный литровый мотор Scuderi на стенде работает плавно и относительно тихо — даже без глушителя!

По расчётам мотор Scuderi на 25% экономичнее обычного, а с турбонаддувом и теплообменником, передающим энергию выхлопных газов воздуху в перепускном канале, и того выше. В четырёхцилиндровом варианте один компрессорный цилиндр может загонять смесь в три рабочих.

Если к каналу между цилиндрами добавить ответвление с клапанами и баллоном высокого давления, можно заставить такой мотор собирать энергию при торможении и использовать её при разгоне (этот режим показан на последней минуте первого ролика). Однако на протяжении уже ряда лет деятельность компании Scuderi Group ограничивается лишь опытными образцами и участием в выставках. Похоже, реальная экономичность тут всё же не может перебить высокую сложность конструкции.

Двухтактный агрегат Paut Motor использует принцип, подобный применённому в моторах Scuderi Group, — сжатие и рабочий ход тут происходят в разных цилиндрах, между которыми устроены перепускные каналы.

К разделённому рабочему циклу обратились было и разработчики хорватской фирмы Paut Motor. Их «разнесённая» конструкция привлекла меньшим числом деталей, низким трением и сниженным шумом.

А необходимость внешнего бака для системы смазки, вызванная тем, что в картере масла не предусмотрено, не испугала. Изобретатели построили несколько опытных образцов.

Для рабочего объёма в семь литров их габариты (500×440×440 мм) и вес (135 кг) оказались чуть ли не вдвое ниже, чем у традиционных ДВС. А отдачу так и не выяснили. Последний прототип был собран в 2011 году, а затем проект заглох.

В агрегате Paut Motor — четыре рабочих камеры с поршнями диаметром 100 мм и четыре компрессионных (120 мм). Двухсторонние поршни передают усилия на коленвал, который, благодаря паре шестерён с внутренним зацеплением, совершает планетарное движение.

Двухтактный двигатель Bonner (по имени спонсора, фирмы Bonner Motor), изобретённый в 2006 году в США Вальтером Шмидом, устроен ещё сложнее. Как и в проекте Paut Motor, цилиндры тут расположены буквой X, а коленвал тоже совершает планетарное движение за счёт системы шестерён.

Ключевое отличие от схемы фирмы Paut Motor — роль рабочих поршней играют подвижные цилиндры, соединённые с коленвалом (показаны красным). А с внешней стороны их закрывают неподвижные поршни (отмечены серым).

За газораспределение в Боннере отвечают клапаны в донышках цилиндров и вращающиеся золотники в корпусе мотора.

При этом внешние поршни могут немного смещаться под давлением масла, обеспечивая переменную степень сжатия. Запутанная схема! А всё — ради высокой мощности на единицу веса.

В теории Bonner выглядит интересно, но на практике о нём уже давно нет никаких новостей — судя по всему, надежд он не оправдал.

Некий мистер Смоллбон получил американский патент на аксиальный мотор ещё в 1906 году. Но если бы такой агрегат был идеалом, через 110 лет все автомобили использовали бы его.

Другие изобретатели не меняли рабочие циклы ДВС, а сосредотачивались на расположении его частей. Таковы, например, аксиальные моторы, которым уже больше ста лет (один из ранних патентов — на рисунке выше).

Все они отличаются деталями, но объединены общим принципом — цилиндры располагаются, как патроны в барабане револьвера, с соосным выходным валом.

За преобразование возвратно-поступательных движений поршней во вращение вала отвечают разные системы вроде наклонённых к продольной оси двигателя штифтов, косых шайб и тому подобного.

По такому принципу сегодня работают некоторые компрессоры. Добавив продуманное газораспределение и зажигание, можно превратить подобный блок в мотор…

…такой, как американский Dina-Cam 1960-х с полувековыми корнями. Благодаря хорошему соотношению веса и мощности аксиальные агрегаты прочили на роль моторов для лёгких самолётов.

Разновидностью аксиальных агрегатов является новозеландский проект фирмы Duke Engines — пятицилиндровый четырёхтактник рабочим объёмом три литра. По сравнению с классическим ДВС того же литража этот был, по расчётам авторов, на 19% легче и на 36% компактнее. Ему сулили применение в самых разных областях, но мечты о завоевании целого мира остались мечтами.

Опытный образец мотора Duke был построен в 2012 году. Потом он мелькал на выставках, собирал призы, но вот уже несколько лет новостей о нём нет.

Ещё более сложный аксиальный пример — двигатель RadMax канадской фирмы Reg Technologies. Здесь вместо цилиндров в общем барабане с помощью тонких лопастей организована дюжина отсеков.

В прорезях ротора установлены пластины, которые сдвигаются вдоль них по мере его вращения.

С торцов полученные переменные объёмы ограничивают изогнутые поверхности: они задают траекторию движения лопастей и заведуют газообменом.

Основные части мотора RadMax. За один оборот вала тут происходит 24 полных рабочих цикла.

Схема RadMax позволяет создавать двигатели под разные виды топлива, хотя изначально изобретатели выбрали дизельное. В 2003 году был построен образец диаметром и длиной всего 152 мм.

Он развивал 42 силы — в разы больше, чем схожий по габаритам ДВС. Позже фирма отчиталась о создании более крупных прототипов на 127 и 380 сил.

Но, судя по релизам, вся её деятельность по-прежнему не выходит за рамки экспериментов.

Ещё один пример превосходства теории над практикой — тороидальный мотор Round Engine (или VGT Engine) уже исчезнувшей канадской компании VGT Technologies. Первые прототипы двигателя с тором переменной геометрии (отсюда и буквы VGT — Variable Geometry Toroidal Engine) инженеры испытывали ещё в 2005 году.

Авторы кругового двигателя избавились от возвратно-поступательных движений. Отсюда — радикальное снижение вибраций. Плюсом можно назвать минимальное число деталей и хорошую расчётную экономичность.

Тор здесь играет роль цилиндра, внутри которого вращается ротор с парой закреплённых на нём поршней.

Необходимые для обеспечения рабочих тактов переменные объёмы образуются между поршнями с помощью тонкого распределительного диска с вырезом под поршни, который ремённым или иным приводом вращается поперёк тора. Этот диск ограничивает топливно-воздушную смесь в процессе сжатия и рабочего хода.

Система фирмы Garric Engines похожа на VGT, однако вместо поперечного распреддиска использовано шесть поворотных золотников.

В 2009 году свой тороидальный мотор, принципиально повторяющий канадский, разработали американцы Гарри Келли и Рик Айвас (видео выше). По их оценке, тор полуметрового диаметра обеспечивал бы 230 л.с. и около 1000 Н•м всего при 1050 об/мин.

Но… На сайте их фирмы Garric Engines сейчас висит заглушка «Спасибо за интерес. В будущем страница может быть обновлена».

Возможно, чуть лучшая судьба ждёт так называемый нутационный двигатель, придуманный американцем Леонардом Мейером в 2006 году — его хотя бы построили в нескольких экземплярах.

Главный принцип нутационного диска: в процессе работы он не вращается вокруг вала, а качается из стороны в сторону. Добавив перегородки, получаем отсеки, в которых газ может сжиматься и расширяться.

Нутация по-латински означает «кивать». Мейер сформировал четыре рабочие камеры переменного объёма между корпусом мотора и «кивающим» по сторонам диском, который играет роль поршня. Диск разрезан пополам вдоль своего диаметра и нанизан на Z-образный вал, с которого и снимается мощность. За газообмен отвечают каналы и клапаны в корпусе.

Рабочий диск показан в разрезе. Минимализму, уравновешенности и лёгкости нутационной конструкции позавидует даже двигатель Ванкеля.

Прототипы мотора Мейера построила компания Baker Engineering и родственная ей Kinetic BEI. С единственным диском диаметром 102 мм агрегат развивает семь сил, а с парой дисков по 203 мм — уже 120! Длина двухдискового двигателя — 500 мм, диаметр — 300, а рабочий объём — 3,8 л.

На килограмм веса — 2,5−3 «лошади» против одной-двух у массовых атмосферных ДВС (из немассовых некоторые моторы Ferrari выдают больше трёх сил на килограмм, но при высоченных 9000 об/мин). Литровая мощность, правда, не впечатляет.

Ныне Baker и Kinetic вроде как доводят проекты до ума, хотя особой активности на их сайтах не видно.

За один оборот вала в двухдисковом нутационном агрегате происходят те же четыре рабочих хода, что и в восьмицилиндровом поршневом «четырёхтактнике». На фото — одно- и двухдисковые рабочие прототипы. (Кстати, из двух дисков в принципе можно создать и машину с разделённым циклом, одному отдать сжатие смеси, другому рабочий ход.)

В 2010 году нутационный мотор попал в зону интереса исследовательского центра ВВС США. Гарри Смит, менеджер лаборатории, демонстрирует внутренности мотора и объясняет, что особую ценность конструкция представляет для лёгкой авиации.

Идея роторных агрегатов различного типа так часто привлекает новаторов, будто один лишь отход от знакомой схемы даёт существенное повышение характеристик.

Так, Николай Школьник, выходец из СССР, давно перебравшийся в США, с сыном Александром разработал мотор, напоминающий двигатель Ванкеля, вывернутый наизнанку.

Ротор арахисовой формы также вращается в треугольной камере, но в отличие от агрегата Ванкеля уплотнители закреплены не на поршне, а на стенках камеры.

В роторе LiquidPiston есть полость, играющая свою роль в газообмене. Процесс сгорания проходит при постоянном объёме, а затем идёт расширение — это один из факторов, повышающих КПД.

Для развития конструкции Школьники основали фирму LiquidPiston, которой заинтересовалось оборонное агентство DARPA — теперь оно софинансирует эксперименты в расчёте на перспективы работы «арахисовых» агрегатов в лёгких летательных аппаратах, включая беспилотники, и в переносных генераторах. Опытный моторчик рабочим объёмом 23 см³ обладает неплохим для таких габаритов КПД в 20%. Теперь авторы нацелены на дизельный прототип весом около 13 кг и мощностью 40 л.с. для установки на гибридный автомобиль. Его КПД якобы вырастет уже до 45%.

Первый образец мотора Школьников можно положить на ладонь. Он весит 1,8 кг и может заменить вдесятеро более тяжёлый поршневой ДВС карта (показан слева). Мощность всего 3 л.с., но классический двигатель такого размера был бы ещё слабее.

Последний рассмотренный нами мотор демонстрирует, что идея плоского агрегата (ротор ведь можно сделать очень узким) заманчива. Вместе с тем для её реализации сами роторы не так обязательны — достаточно «оквадратить» традиционный поршень и, соответственно, сделать прямоугольным на виде сверху цилиндр.

Этой странной разработке фирмы Pivotal Engineering уже несколько лет, в течение которых создан ряд образцов, приводивших в движение мотоциклы и самолёты. Авторы адресуют так называемый качающийся поршень в первую очередь авиации.

Помимо высоких выходных характеристик по отношению к весу и габаритам, такой двухтактный агрегат отлично поддаётся форсировке за счёт прохождения сквозь неподвижную ось поршня (рисунок ниже) жидкостного канала охлаждения.

С иной схемой такой трюк затруднителен.

Задумка компании Pivotal Engineering из Новой Зеландии представляет собой мотор с качающимися прямоугольными (в плане) поршнями. Один их край закреплён на неподвижной оси, второй — связан с шатуном. Справа — четырёхцилиндровый образец на 2,1 л.

За пределами нашего обзора осталось ещё много экзотических разработок вроде 12-роторного мотора Ванкеля, двигателя Найта или агрегатов со встречными поршнями, ДВС с изменяемой степенью сжатия или с пятью тактами (есть и такие!), а ещё роторно-лопастные агрегаты, в которых составные части ротора совершают движения, будто сходящиеся и расходящиеся лезвия ножниц.

Ещё пример чудачеств — H-образный двигатель, объединяющий в себе две рядные «пятёрки». Автор патента Луи Хернс полагает, что одну половину агрегата можно адаптировать под бензин, а другую — под метан и активировать их как врозь, так и вместе.

Даже беглый экскурс за пределы классических ДВС показал, сколь большое количество идей не находит массового воплощения. Роторы часто губит проблема износа уплотнений. Роторно-лопастные варианты вдобавок страдают от высоких знакопеременных нагрузок, разрушающих механизм связи лопастей и вала. Это только одна из причин, почему мы не встречаем такие «чудеса» на серийных автомобилях.

Вторая — в том, что и традиционные ДВС не стоят на месте. У последних бензиновых образцов с циклом Миллера термический КПД доходит до 40% даже без турбонаддува. Это много. У большинства бензиновых агрегатов — 20−30%. У дизелей — 30−40% (на крупных судах — до 50).

А главное — глобальная альтернатива ДВС уже найдена. Это электромоторы и силовые установки на топливных элементах.

Поэтому если изобретатели диковинок не решат все технические проблемы в самое ближайшее время, вырулить с обочины прогресса перед электричками они попросту не успеют.