РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ А.З.СУЛТАНОВА Российский патент 1994 года по МПК F04C9/00 

Изобретение относится к роторным машинам.

Известен пластинчатый компрессор, содержащий ротор с радиальными прорезями, в которые вставлены стальные пластины, установленный эксцентрично внутри цилиндрического корпуса.

Компрессор имеет следующие недостатки: весьма низкий КПД - 0,15-0,2; радиальные торцы стальных пластин (их 12 шт.) из-за скользящего контакта быстро изнашиваются и изнашивают внутреннюю стенку цилиндрического корпуса; используется для малой производительности и небольшой степени повышения давления.

Известен роторный пневмодвигатель, содержащий ротор, выполненный с выступом, вставленным в цилиндрический корпус с радиальной прорезью, взаимодействующей с подпружиненной заслонкой.

Он имеет следующие недостатки: радиальный торец заслонки из-за скользящего контакта быстро изнашивается и изнашивает поверхность ротора; при попадании сжатого воздуха под торец заслонки он отрывается от поверхности ротора, следовательно обе полости соединяются, вследствие чего двигатель перестает работать.

Технической задачей изобретения является ликвидация скользящего контакта радиального торца заслонки с поверхностью ротора, износа радиального торца заслонки и поверхности ротора, повышение надежности и ресурса роторного двигателя.

Решение задачи достигается тем, что роторный превмодвигатель, содержащий ротор, выполненный с выступом и установленный в цилиндрический корпус с радиальной прорезью, взаимодействующей с заслонкой, эксцентрик, подшипники, кольцевые уплотнители, боковины, крышку, на нижнем конце заслонки выполнены отверстия радиусом R уступы радиусом R₁, а по высоте заслонки выполнен канал, эксцентрик ротора выполнен с гнездами для тугой посадки внутренней обоймы (втулки) подшипника, а наружный диаметр эксцентрика равняется наружному диаметру наружной обоймы подшипника, на наружной утолщенной обойме подшипника выполняется выступ с отверстием, взаимодействующим с осью, которая в свою очередь взаимодействует с отверстием, выполненным на нижнем конце заслонки, а на боковых торцах обоймы выполнены выточки, взаимодействующие с подпружиненными кольцевыми уплотнителями, в боковинах и крышке выполнены отверстия охлаждения.

На фиг. 1 изображен роторный двигатель без передней крышки; на фиг. 2 - то же, поперечный разрез; на фиг. 3, 4 - различные положения ротора; на фиг. 5, 6 - заслонка; на фиг. 7, 8 - подшипник и узел выступа подшипника.

Заслонка, соединенная шарнирно с ротором роторного двигателя (фиг. 1-8), содержащего прямоугольную заслонку 1 шириной L (фиг. 2), на нижнем конце которой выполняются уступы 2 (фиг. 5) при незначительной ширине L, по крайней мере выполняются два уступа (без среднего) радиусом R₁, от точки 0 и отверстие 3 радиусом R (фиг. 5). В заслонке выполняется канал 4 (показан только на фиг. 1 и 5, а на остальных фиг. пунктиры), и она помещается в полости 5, образованной боковинами 6, выполненными с каналами 7. На внутренних стенках боковин 6 установлены ролики 8 (фиг. 1), взаимодействующие с заслонкой 1. Полость 5 закрывается крышкой 9, в которой выполнены каналы 10 и установлена форсунка 10 (количество зависит от ширины L).

Ротор содержит пустотелый вал 11 для установки змеевиков и форсунок, на который насаживается (крепится известным способом) эксцентрик с наружным диаметром D_p (фиг. 4), состоящий из отдельных секций 12, 13, разделенных по А-А, закрепленных между собой (осевая линия - фиг. 2). Эксцентрик делится на секции для того, чтобы между ними установить подшипник или двойную втулку. Чем мощнее двигатель, тем количество секций больше. На торцах секции 12 выполнены гнезда 14, 15 (фиг. 2, 7), а на наружном торце секции 13 выполнено одно гнездо 16, в которые устанавливаются внутренние обоймы 17 подшипников с тугой посадкой. Наружная обойма 18 подшипника (втулки )21 (фиг. 6) выполняется с выступом 19, в котором сверлится (выполняется) отверстие 20 для установки подшипника (в маломощных двигателях устанавливается втулка). Ось 0 отверстия 20 (фиг. 5) может быть выше от нижнего торца заслонки 1 или ниже, что зависит от толщины заслонки 1 и выступа 19, следовательно, чем ось 0 выше (отверстие 20 тоже будет выше), тем толщина выступа 19 уменьшится, чем толщина заслонки 1. На фиг. 1-4 подшипники (втулки) не показаны.

Наружный диаметр D_р наружной обоймы (наружной втулки) 18 равняется диаметру D_р эксцентрика. Выступ 19 после сверления превращается в петлю. На боковых торцах (фиг. 3б) наружной обоймы (наружной втулки) 18 выполняются выточки 22 для установки кольцевых уплотнителей 23, подпирающихся пластинчатыми пружинами.

После совмещения отверстий 3 (на нижнем конце заслонки 1) и 20 (на выступе 19) в них устанавливается ось 24, торцы которой взаимодействуют с внутренними поверхностями крышек 25 (на фиг. 1, 3 и 4 верхняя крышка 25 снята), закрывающих цилиндрический корпус 26 роторного двигателя. Таким образом, заслонка 1 с ротором соединяется шарнирно, следовательно наружная обойма 18 не может вращаться с эксцентриком, а только качается как маятник, делая возвратно-поступательное движение с заслонкой 1. В цилиндрическом корпусе 26, оканчивающемся боковинами 6, выполняются впускной 27 и выпускной 28 патрубки, соединенные с патрубками. Каналы 7 на корпусе 26 выполняются от выпускного патрубка 28 до горизонтальной оси (не показано). Между наружной поверхностью эксцентрика, внутренней поверхностью цилиндрического корпуса 26 и внутренними поверхностями крышек 25 образуется рабочая камера 29 (фиг. 1, 3 и 4).

Нагретая вода до 1000^оС при помощи дозирующего устройства во время рабочего хода через впускной патрубок 27 подается в рабочую камеру 29, когда уплотнитель, установленный на вершине эксцентрика, выполненного из двух секций 12, 13 (на фиг. 1, 4 уплотнитель показан пунктирами), повернется на угол = 30^о (фиг. 3), т.е. когда уплотнитель пройдет правый торец патрубка 27. При вращении ротора радиальный выступ эксцентрика не контактирует с внутренней поверхностью цилиндрического корпуса 26, а контактирует уплотнитель с мизерной массой, в прототипе же контактирует подпружиненная заслонка как в точиле, быстро изнашивая поверхность ротора, при этом сама заслонка интенсивно изнашивается.

С эксцентриком вращаются внутренние обоймы 17, посаженные в гнезда 14, 15, 16. Наружные обоймы 18 выполнены с выточками 22, взаимодействующими с кольцевыми уплотнителями 23, а также с выступом 19 с отверстиями 20, куда ставится подшипник 21. Последний взаимодействует с осью 24, торцы которой, взаимодействуют с внутренними поверхностями крышек 25, закрывающих цилиндрический корпус 26. Наружная радиальная поверхность выступа 19 взаимодействует с радиальной поверхностью 2. По мере продолжения поворота ротора под давлением пара заслонка 1 с уступами 2 и отверстием 3, помещенная в полости 5 и взаимодействующая с роликами 8, установленными в боковинах 6, опускается в сторону НМТ (нижняя мертвая точка). При этом верхняя обойма 18, не вращаясь, взаимодействует с шариками (роликами) подшипника и внутренней поверхностью цилиндрического корпуса 26, двигаясь возвратно-поступательно с заслонкой 1, качаясь как маятник. Когда вершина эксцентрика переходит ось А-А (в нижней части цилиндрического корпуса 26), заслонка 1 начинает двигаться в сторону ВМТ (верхняя мертвая точка). Как только вершина эксцентрика проходит левую кромку выхлопного патрубка 28 ( α= 30^о), газы начинают покидать рабочую камеру 29. В теплоизолированной полости 5 заслонка 1 двигается возвратно-поступательно, взаимодействуя боковинами 6, роликами 8 и внутренними поверхностями выступов крышек 25, прикрывающих полость 5. От трения, а также от передачи тепла из полости вала 11 они нагреваются. Нагретая вода попадает от впускного патрубка 27 в подогреваемую рабочую камеру 29, поглощая ее тепло и превращаясь в перегретый пар (его температура не может подняться выше 555^оС). Он не может охлаждать стенку корпуса 26, крышек 25 и ротора, у которых температура может подняться до 1000^оС и более. Если бы не было каналов для прохода питательной воды от нижнего торца выпускного патрубка 28, хотя бы до горизонтальной оси корпуса, то двигатель смог бы перегреться. С целью предотвращения перегрева крышки полости, где помещается заслонка боковин, а также цилиндрического корпуса от выхлопного патрубка до его горизонтальной оси, выполняются каналы 7, 10. Нагретая питательная вода, полученная от охлаждения, может направляться в змеевик или впрыскиваться в рабочую камеру 29 или через форсунку 10, установленную на крышке 9, во время рабочего хода эксцентрика, когда заслонка 1 двигается в сторону НМТ, впрыскивается в полость 5. В полости 5 впрыснутая нагретая питательная вода, превращаясь в перегретый пар и продолжая превращаться в перегретый пар, при проходе через канал 4 входит в рабочую камеру 29, отдавая свою энергию, полученную в процессе охлаждения, на вращение вала 11. Перед началом прохода уплотнителя, установленного на вершине эксцентрика, левой кромки выхлопного патрубка 28, заслонка 1 полностью вытесняет газы из полости 5, т.к. она почти оказывается в ВМТ.

Все трущиеся детали легко уплотняются известными способами, поэтому относительный внутренний КПД составляет ≈0,95. Относительный внутренний КПД паровых турбин, использующихся на всех ТЭС мира, 0,6-0,88 - это значит, что до 40% пара, выработанного с огромными затратами в паровых котлах и котлах перегрева пара, через зазоры, не подлежащие уплотнению, выбрасывается в атмосферу, не вырабатывая энергии. Не подлежащие уплотнению зазоры паровых турбин между радиальными торцами рабочих лопаток и корпусом составляют 1-0,5 мм, между радиальными торцами направляющих лопаток и валом 1-0,5 мм. Зазоры между рабочими и направляющими лопатками такие же. Если диаметр D турбины 150 см, линейная длина L составит L = ПД = 3,14 х 150 = 450 см, при зазоре l = 0,1-0,05 см площадь S сечения зазора составит S = L ˙l = 450 (0,1-0,05) : 2 = 34 см². При диаметре D_b вала 75 см линейная длина составит L_b = 3,14 х 75 = 225 см, площадь сечения S_b = 17 см². Общая площадь сечения зазоров - S_общ = 34 + 17 = 51 см². Через площадь сечения 51 см² пар под огромным давлением Р = 255 кгс/см² утекает не производя работы (внутренний КПД паровых турбин при учете боковых зазоров 0,6-0,88). С увеличением КПД паровых и пароперегревательных котлов, занимающих огромные площади, объемы и расстояния, где теряется огромное количество тепла, КПД тепловых электростанций не превышает 0,3.

Если в предлагаемом роторном двигателе с заслонкой площадь сечения зазоров 1 см², то эффективность повысится на столько же.

Мощность двухкамерного предлагаемого роторного двигателя при параметрах: длина L рабочей камеры 100 см; диаметр D_к = 150 см; D_p = 100 см; средняя высота рабочей камеры 25 Н = (150-100) : 2 = 25 см; с учетом продолжительности рабочего хода 360^о Н = 20 см; радиус R приложения силы = 65 см (фиг. 3), среднее давление Р_с 60 кгс/см², определяют крутящий момент М_кр = Р˙S˙P = 0,65 ˙20 ˙100 ˙50 = =78000 кгм. Частота вращения n 3000 об/мин.

Мощность
9
Мощность двухкамерного N = 216000˙2 = =432000 кВт, где 0,95 - механический КПД.

Механический КПД ДВС-0,72 относительный внутренний КПД 0,95; переводной коэффициент на кВт 975.

При таком же расходе пара мощность паровой турбины 273600 кВт, а с учетом КПД ТЭС - 0,3 эффективная мощность 144000 кВт. Мощность роторного двигателя с предложенной заслонкой увеличивается в три раза.

Изобретение относится к роторным машинам. Технической задачей изобретения является ликвидация скользящего контакта радиального торца заслонки с поверхностью ротора, их износа, а также повышение надежности и ресурса роторного двигателя. На нижнем конце заслонки 1 выполнены уступы 2 и отверстия 3, а по высоте заслонки 1 - канал 4. В боковинах 6 выполнены отверстия 7. Наружные обоймы 18 выполнены с выточками 22 и выступом 19. 3 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. Роторный двигатель, содержащий ротор с выступом, установленный в цилиндрическом корпусе с радиальной прорезью, взаимодействующей с заслонкой, эксцентрик, подшипники, кольцевые уплотнители, боковины, крышку, отличающийся тем, что на нижнем конце заслонки выполнены отверстия радиусом R и уступы с радиусом R₁, а по высоте заслонки выполнен канал. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в эксцентрике выполнены гнезда для тугой посадки внутренней обоймы подшипника, при этом наружный диаметр эксцентрика равен наружному диаметру наружной обоймы подшипника. 3. Двигатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что на наружной обойме подшипника выполнен выступ с отверстием, взаимодействующим с осью, связанной с отверстием на нижнем конце заслонки, а на боковых торцах обоймы выполнены выточки, взаимодействующие с подпружиненными кольцевыми уплотнителями. 4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в боковинах и крышке выполнены отверстия охлаждения.