УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ТУРБОРОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Г.П.БЕЛЕВА Российский патент 1994 года по МПК F02B75/00 

Изобретение относится к моторостроению и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства, преимущественно на всех видах транспорта.

Аналогичного предлагаемому универсальному турбороторному двигателю в теории и практике моторостроения нет, в связи с этим нет ни аналога, ни прототипа.

Цель изобретения - создание наибольшее эффективного и экономичного двигателя с непрерывным и одновременным преобразованием кинематической энергии истечения рабочего тела и потенциальной энергии внутреннего давления - объемного расширения в механическую энергию.

Это достигается тем, что двигатель содержит внешний либо внутренний статор с ребрами и размещенными в нем соплами и выпускными окнами, ротоpом с маятниковыми затворами, размещенными в окнах ротора, образующий со статором замкнутые полости, и укрепленные в нем для затворов опорные и упорные катки. При этом с целью уменьшения действия силы трения от центробежных сил маятниковых затворов они соединены попарно и имеют жестко соединенные с ними копиры, в частности, для двухполостного двигателя с эллипсовидным статором и полым цилиндрическим ротором при 4 затворах, размещенных через 90^о, имеют дуговую форму с радиусом дуги
R₁= , , где r - радиус цилиндрического ротора и одновременно малая полуось эллипсовидного статора;
R - большая полуось эллипсовидного статора, а длина L этой дуги
L = arcsin + arcsin и выполнены с возможностью передачи объединенным маятниковым затвором центробежных сил на каток, укрепленный в роторе.

Вместе с тем с целью постоянной изоляции сопла от выпускного окна в полости расширения для двухполостного двигателя с эллипсовидным статором находящимися в ней дуговыми маятниковыми затворами внутренняя полость статора отвечает условию
R -R = Rα2

- r при α₁ = α, где R и R22 - радиус-вектор эллипсовидного статора для значений угла α₁ и α ;
α₁ - угол между радиус-вектором эллипсовидного статора и его малой полуосью,
α - угол между радиус-вектором эллипсовидного статора и его большой полуосью, а также, чтобы R
Сущность изобретения заключается в том, что благодаря особой конструкции двигатель одновременно работает как турбина и как двигатель объемного расширения. Благодаря этому одновременно преобразуются кинетическая энергия истечения из сопла рабочего тела, как это имеет место в паровых, газовых, гидравлических турбинах, так и потенциальная энергия внутреннего давления, как в двигателях объемного расширения - в механическую энергию, что значительно повышает экономичность и эффективность его работы против всех турбин, так как к энергии, используемой в турбине, добавляется энергия объемного расширения, что соответствует в турбинах из-за незамкнутости рабочего объема и против всех двигателей внутреннего и внешнего сгорания, так как к используемой в них энергии объемного расширения, что достигается в замкнутом рабочем объеме, плюсуется кинетическая энергия истечения из сопла рабочего тела.

Осуществление этих процессов достигается в замкнутых полостях расширения, в начале которых из сопла в статоре (для двигателей внутреннего сгорания) или из входного канала (для двигателей внешнего сгорания) непрерывно под давлением врывается рабочее тело - продукт непрерывного сгорания топливной смеси, поступающей под давлением в сопло двигателя, ударяется в находящийся в полости затвор переменного сечения, который полностью перекрывает все сечения полости и вынуждает, отдавшее затвору кинетическую энергию истечения рабочее тело под действием потенциальной энергии внутреннего давления расширяться и перемещать затвор вдоль полости расширения до выпускного канала в статоре, по которому непрерывно удаляется использованное рабочее тело.

В конце полости затвор втапливается в ротор и выходит из нее. Одновременно за этим затвором под действием этих же сил перемещается другой затвор, который также перекрывает полость расширения и изолирует впускные каналы от выпускных, когда их достигает впереди идущий затвор.

Таким образом, в полости находится не менее двух затворов, которые постоянно изолируют впускные каналы от выпускных, т.е. часть полости, куда под давлением врывается рабочее тело, постоянно является замкнутым объемом и в то же время из-за непрерывного перемещения вдоль полости в одном направлении находящихся в них затворов не имеет конечного объема (как в незамкнутом рабочем объеме). Это обеспечивает непрерывное и одновременное преобразование кинетической и потенциальной энергии рабочего тела в механическую энергию перемещения затворов, что отсутствует во всех других двигателях. Замкнутые полости расширения (одна или несколько) образуются между статором и ротором отличной друг от друга конфигурации и служат для перемещения в них входящих и выходящих маятниковых затворов. Ротор, как и статор, при этом может быть как внутренним, так и внешним, иметь круглое, квадратное, эллипсовидное и другие сечения. Затворы при их перемещении вдоль полости расширения в зависимости от ее высоты, которая изменяется от 0 до своего максимума либо втапливаются в окна ротора (статора) (фиг.24-27), перемещаясь из одной полости в другую, либо выдвигаются из них, перекрывая полностью сечение полости и изолируя впускные каналы от выпускных. При размещении в роторе на затворы действуют центробежные силы. Чтобы уменьшить их, они попарно объединяются и центробежные силы от них передаются на укрепленный в роторе опорный каток.

Для двухполостного двигателя с эллипсовидным статором и внутренним полым цилиндрическим ротором затворы объединяются дугой (при четырех затворах, расположенных через 90^о), проходящей через точки пересечения статора и окружности цилиндра ротора с большой и малой полуосями эллипса статора (см. фиг.24). Радиус R₁ дуги
R₁= ,, где R - большая полуось эллипса-статора;
r - малая полуось эллипса статора и радиус окружности цилиндра ротора.

Длина L дуги дугового объединенного затвора
L = arcsin + arcsin
Для обеспечения условия, когда один конец дугового затвора втапливается на какую-либо величину, а другой конец на эту же величину выдвигаться в полость расширения, эллипс имеет радиус-вектор R₂
R₂= r + (R - r)1 -
или R₂ = r + (R - r)cos²α где α - угол между радиус-вектором и большой полуосью.

При радиус-векторе эллипса R₂, радиусе дугового затвора R₁ и его длине L концы затвора постоянно соприкасаются с поверхностью эллипса статора, что обеспечивает режим работы двигателя. Для двухполостного двигателя с внутренним двухцилиндрическим ротором затвор под действием центробежных сил (при разнице массы между частями затвора, расположенными по разные стороны от опорного катка) прижимается к статору. Чтобы затвор не прижимался к статору при любом режиме работы двигателя с ним жестко соединяется копир, расположенный вне полостей расширения и имеющий каток, упирающийся в наружную полку эллипса статора, чем обеспечивается постоянный зазор между затвором и эллипсом статора. Для передачи усилий от действующих на затвор сил на ротор и преобразования их в механическую работу двигателя на роторе закрепляются упорные катки, на которые упираются маятниковые дуговые затворы, одновременно обеспечивая постоянство зазора между затворами и окнами ротора.

Для обеспечения зазоров между затвором и стенками (ребрами) статора опорные и упорные катки расположены по краям затвора и имеют реборды. Затвор перемещается внутри этих реборд и сохраняет зазор между ним и ребрами статора. Система копира, опорных и упорных катков с ребордами обеспечивает полное отсутствие соприкасания затвора со статором и ротором, что повышает эффективность его работы.

Зазоры между затвором, статором и ротором уплотняются подпружиненными уплотнительными скобами и разъемными кольцами. Сжатый воздух, необходимый для работы двигателя, поступает либо от баллонов со сжатым воздухом, либо от компрессора аналогичной двигателю конструкции с общим ротором и статором, с рабочими полостями одинаковой формы, но разной ширины и разделенных между собой ребрами статора.

На фиг. 1 показан собранный двигатель, вид с торца; на фиг.2 - то же, вид сверху; на фиг.3 - собранный двигатель по двигателю, поперечный разрез; на фиг.4 - собранный двигатель (вид сверху), продольный разрез; на фиг.5 - собранный двигатель по зоне копира, поперечный разрез; на фиг.6 - то же, по зоне компрессора; на фиг.7 - статор в сборе, вид с торца; на фиг.8 - статор в сборе, вид сверху; на фиг.9 - статор в сборе, продольный разрез; на фиг. 10 - плоская часть статора, продольный вырез; на фиг.11 - поперечный вырез по выпускным каналам; на фиг.12 - поперечный вырез по впускному соплу; на фиг. 13 - поперечный вырез по впускным и выпускным отверстиям компрессора; на фиг. 14 - ротор в сборе, вид с торца; на фиг.15 - ротор в сборе, вид сверху; на фиг.16 - ротор в зоне копира, поперечный разрез; на фиг.17 - ротор в сборе (вид сверху), поперечный разрез; на фиг.18 - дуговой затвор двигателя; на фиг.19а,б,в - копир в сборе (виды сбоку, сверху, спереди); на фиг.20а,б,в - уплотнительная скоба для окон ротора (виды спереди, сверху, с торца); на фиг.21а,б,в, - левая боковая уплотнительная скоба затвора (виды спереди, сбоку, с торца); на фиг.22а,б,в - правая боковая уплотнительная скоба затвора (виды с торца, сбоку, спереди); на фиг.23а,б,в - торцовая уплотнительная скоба затвора (виды сверху, сбоку, с торца); на фиг.24 - схема двухполостного универсального турбороторного двигателя с эллипсовидным статором, внутренним полым цилиндрическим ротором и дуговыми маятниковыми затворами; на фиг.25 - то же, с полым цилиндрическим статором и внешним эллипсовидным ротором (в четырех положениях ротора с большими полуосями I-I, II-II, III-III, IV-IV) с дуговыми маятниковыми затворами, размещенными в статоре; на фиг.26 - то же, с трехлепестковым статором, полым цилиндрическим ротором и размещенными в нем дуговыми маятниковыми затворами; на фиг. 27 - четырехполостной универсальный турбороторный двигатель с квадратным статором, наружным цилиндрическим ротором и размещенными в нем плоскими затворами; на фиг.28 - иллюстрация к соотношению размеров R₁, L, R₂.

В качестве примера конкретного выполнения показан универсальный двухполюстной турбороторный двигатель с эллипсовидным статором и внутренним полым цилиндрическим ротором и дуговыми маятниковыми затворами, который состоит из (см.фиг.1-4) эллипсовидного статора 1, выполненного из двух одинаковых половин, соединенных болтами (см.фиг.7-13), цилиндрического полого ротора 2 (см.фиг.14-17), дуговых маятниковых затворов 3 (см.фиг.18), рабочего вала 4, копира 5 (см.фиг.5, 19а,б,в), компрессора 6 (см.фиг.6). Статор 1 (см. фиг.7) состоит из двух одинаковых половин, каждая из которых в средней плоской части имеет сопло 7 для сгорания топливной смеси, выпускные каналы 8 для выпуска отработанного рабочего тела, отверстия 9 для свечи зажигания, отверстия 10 для воздушного фильтра компрессора, отверстия 11 для обратного клапана компрессора, соединительные полки 12, отверстия 13 для соединительных болтов, серповидные ребра 14, кольцевые проточки 15 в сервоприводных ребрах, зону копира 16, зону компрессора 17, зону двигателя 18.

Ротор 2 (см. фиг.14) имеет полый цилиндр 19, кольцевые проточки 20 по поверхности цилиндра, окна 21 для затворов двигателя, окна 22 для копира, окна 23 для затворов компрессора, торцовые кольцевые ребра 24, кольцевые ребра 25 с вырезами для копира, торцовые диски 26 с втулками 27, отверстия 28 в ребрах 25 для опорных катков, отверстия 29 в ребpах 24,25 для упорных катков компрессора, отверстия 30 в ребpах 24 для шпилек торцовых дисков 26, отверстия 31 в ребрах 24,25 для упорных катков затвора двигателя, вырез 32 в ребрах 24 для копира.

На фиг.3 показаны уплотнительные скобы 33 для окон затворов двигателя, на фиг.4 и 21 - левые боковые уплотнительные скобы 34 для затворов двигателя и компрессора, на фиг.4 и 22 - правые боковые уплотнительные скобы 35 для затворов двигателя и компрессора; на фиг.3,4 и 23 - торцовые уплотнительные скобы 36 для затворов двигателя.

Двигатель также содержит разрезные уплотнительные кольца 37 (см.фиг.4), опорные катки 38 для затворов двигателя (см.фиг.3), опорные катки 39 для затворов компрессора (см.фиг.6), упорный каток 40 для затворов двигателя, упорный каток 41 для затворов компрессора (см.фиг.6), отверстия 42 для стяжных болтов (см.фиг.3-6).

Эллипсовидный статор 1 с серповидными ребрами и цилиндрический ротор 2 образуют между собой зоны 16,17,18 двигателя, копира, компрессора.

Зоны двигателя и компрессора имеют по две замкнутые серповидные полости (см.фиг.3 и 6).

В полостях двигателя статор в своей плоской части имеет в начале каждой полости сопло 7 для сгорания топливной смеси и в конце каждой полости - выпускные каналы 8 для выпуска отработанного рабочего тела. В полостях компрессора в начале полости выполнены отверстия 10 для выпуска прошедшего через воздушный фильтр воздуха и в конце - отверстия 11 для выпуска из полости сжатого до необходимого давления воздуха либо через воздухопровод непосредственно в двигатель, либо в резервный резервуар через установленнные в них обратные клапаны. Ребра статора 14 по своей окружности имеют кольцевые проточки 15 для размещения в них разрезных уплотнительных колец 37, которые уплотняют зазор между ребрами статора и цилиндрическими роторами. Сопло 7 имеет сквозные отверстия 9 для размещения в них свечей зажигания топливной смеси электрической искрой от электроаккумулятора в момент запуска двигателя. Статор выполнен из двух одинаковых половин для удобства монтажа и возможности регулирования величины его малой полуоси при износе поверхности цилиндрического ротора путем замены прокладок между соединительными полками статора 12. Части статора соединяются болтами через отверстия 13 в полках статора. Полый цилиндрический ротор 2 на внешней цилиндрической поверхности 19 имеет также кольцевые проточки 20, соответствующие кольцевым проточкам статора 15 для размещения разрезных уплотнительных колец 37. Для размещения внутри ротора дуговых маятниковых затворов 3 ротор имеет четыре окна 21, расположенных через 90^о для затворов двигателя в зоне двигателя, четыре окна 23 для затворов компрессора в зоне компрессора и два окна 22 для копира в зоне копира. Зоны двигателя, копира и компрессора разделяются внутренними кольцевыми ребрами, расположенными соответственно серповидными ребрами 14 статора. В кольцевых ребрах 24 и 25 в зоне двигателя укрепляются в отверстиях 28 опорные катки 38 для затворов двигателя, упорные катки 40 в отверстиях 31, а в зоне компрессора опорные катки 39 для затворов компрессора в отверстиях 28 и упорные катки 41 в отверстиях 29. К торцовым кольцевым ребрам 24 в отверстия 30 шпильками крепятся торцовые диски 26 с втулками 27, в которых закрепляется рабочий вал 4. В кольцевых ребрах 25 сделаны фигурные вырезы 32 для свободы перемещения копира 5. Копир 5 расположен между зонами двигателями и компрессора, ребра копира жестко соединяются с затворами двигателя и компрессора стяжными болтами через отверстия 42 в затворах двигателя, копира и компрессора для этих болтов. Зазоры в окнах ротора уплотняются подпружиненными уплотнительными скобами 33, между затворами и ребрами статора - боковыми уплотнительными скобами - 35 и 34, между затворами и эллипсом статора - торцовыми уплотнительными скобами 36. Компрессор 6 имеет конструкцию, аналогичную конструкции двигателя, но затворы меньшей ширины и упорные катки расположены не перед затворами, а за ними (по направлению вращения ротора).

Двигатель работает следующим образом.

В сопло 7 под давлением непрерывно подаются сжатый воздух и топливо. При запуске двигателя топливная смесь воспламеняется электрической искрой (свеча зажигания) от аккумулятора, а затем непрерывно сгорает в факеле.

Продукты сгорания топливной смеси, вырываясь под давлением из сопла 7, ударяются в затвор 3 и отдают ему свою кинетическую энергию истечения из сопла. Двигатель в этих условиях работает, как турбина. Не имея выхода, но имея возможность увеличивать свой объем, находящиеся в этой части полуоси продукты сгорания расширяются, перемещая затвор. Двигатель работает в этих условиях, как двигатель объемного расширения. Отданные затвору 3 кинетическая энергия истечения продуктов сгорания из сопла и их потенциальная энергия внутреннего давления - объемного расширения передаются им через упорный каток 40 на ротор, ротор же через свои торцовые диски 26 с втулками 27 приводит во вращение рабочий вал 4. При достижении затвором 3 средней части полости в нее входит следующий за ним расположенный через 90^о втопленный в ротор затвор и отсекает сопло от впереди идущего затвора. Объем продуктов сгорания, заключенный в замкнутом объеме между затворами, продолжает увеличиваться до достижения ими симметричного относительно большой полуоси эллипса положения и в этот момент впереди идущий затвор достигает выпускных каналов 8, через которые выпускаются заключенные между затворами продукты сгорания. Впуск-расширение - выпуск с одновременным преобразованием кинетической энергии истечения и потенциальной энергии внутреннего давления в механическую осуществляется непрерывно. Затворы при выходе из полости втапливаются в ротор, а при входе выдвигаются из него, но постоянно имеют зазор между ними и эллипсом статора. Это достигается тем, что каток копира 5 постоянно под действием центробежных сил опирается при своем качении на внутреннюю поверхность эллипса статора. Копир 5 расположен между затворами двигателя и компрессора и жестко соединен с ними сквозными стяжными болтами в отверстиях 42. Основная же часть центробежных сил от затворов передается на опорные катки 38. При этом центробежные силы одного конца затвора уравновешиваются этими же силами симметрично расположенной относительно опорного катка другой его части и на копир передаются только центробежные силы, неуравновешенные опорными катками. Дуговые затворы при их втапливании в ротор и выдвижении из него совершают относительно опорных катков маятниковые колебания с центром в центре окружности дугового затвора. Опорные катки 28 и упорные катки 30 имеют реборды, которые направляют движение маятниковых дуговых затворов и не дают им соприкасаться с внутренними поверхностями ребер 14 статора и окон 21 ротора. Имеющиеся между затвором, статором и ротором зазоры уплотняются торцовыми 36, левыми боковыми 34, правыми боковыми 35 подпружиненными уплотнительными скобами затвора и подпружиненными уплотнительными скобами 33 окон ротора. Зазоры между ребрами статора и ротором уплотняются разрезными уплотнительными кольцами 37, расположенными в кольцевых проточках ребер статора и цилиндра ротора. Вторая полость работает аналогично первой, при этом затворы постоянно и непрерывно перемещаются из одной полости в другую, заменяя друг друга.

Через отверстия 43 в статоре в начале каждой полости под давлением к выходу из сопла подается вода (инертный газ), которая в зоне высокой температуры мгновенно превращается в пар. При этом повышается давление рабочего тела, понижается его температура, повышаются эффективность и экономичность работы двигателя и снижается токсичность выпускаемых отработанных продуктов сгорания.

Чтобы положение затворов относительно окон 21 ротора оставалось неизменным, маятниковый дуговой затвор имеет радиус дуги
R₁= ,, где R - большая полуось эллипса статора;
r - малая полуось эллипса статора и одновременно радиус окружности цилиндра ротора.

Длина дуги затвора
L = arcsin + arcsin ,, а радиус - вектор внутренней поверхности эллипса статора
R₂= r + (R - r)1 - или
R₂ = r + (R - r)cos² α , где α - угол в градусах между радиус-вектором и большой полуосью эллипса статора.

Схема работы универсального двухполостного турбороторного двигателя с эллипсовидным статором и внутренним полым цилиндрическим ротором и размещенными в нем дуговыми маятниковыми затворами показана на фиг.24 с начальным положением дуговых маятниковых затворов I-I и во второй полости I'-I' при достижении затвором средней части полости - 2-2 и 2'-2' при достижении затвором выпускных каналов - 3-3 и 3'-3' и при выталкивании отработанного рабочего тела 4-4 и 4'-4'.

На фиг. 25 показана схема работы универсального двухполостного турбороторного двигателя с цилиндрическим статором, размещенными в нем дуговыми маятниковыми затворами и полым внешним эллипсовидным ротором с впускными выпускными каналами. На схеме указаны четыре положения ротора с большими полуосями I-I, II-II, III-III и IV-IV и соответствующее им расположение впускных каналов 1-1', 2-2', 3-3', 4-4' и впускных каналов 5-5', 6-6', 7-7' и 8-8'. Этот вариант сложнее предыдущего. На фиг.26 показана схема устройства универсального трехполостного турбороторного двигателя с трехлепестковым цилиндрическим статором, внутренним цилиндрическим ротором и размещенными в нем дуговыми маятниковыми затворами. На фиг.27 показана схема устройства универсального четырехполостного турбороторного двигателя с призматическими квадратного сечения статорами, внешним цилиндрическим ротором с плоскими качающимися затворами. Могут быть и другие варианты универсального турбороторного двигателя. Они могут быть как двигателями внутреннего сгорания, так и двигателями внешнего сгорания, а также воздушными (работать от сжатого воздуха), гидравлическими (работать на различных видах топлива), иметь различное количество полостей и затворов, внутренний или внешний ротор. Наиболее оптимальным вариантом является двухполостной двигатель с эллипсовидным статором, внутренним полым цилиндрическим ротором и дуговыми маятниковыми затворами.

Изобретение относится к моторостроению, может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства, преимущественно в транспорте. Цель изобретения: достижение наибольшей экономичности и эффективности работы путем непрерывного и одновременного преобразования кинетической энергии истечения рабочего тела и потенциальной энергии внутреннего давления - объемного расширения в механическую энергию. Универсальный турбороторный двигатель с маятниковыми затворами состоит из внешнего либо внутреннего статора и ротора, образующих между собой одну или несколько замкнутых полостей расширения переменной высоты, и находящихся в них сменяемых маятниковых затворов, разделяющих полости расширения на отдельные, изолированные друг от друга части. Статор имеет эллипсовидную форму с внутренним цилиндрическим ротором. Радиусы маятниковых затворов и кривизна эллипсовидного статора рассчитываются по определенным зависимостям. 3 з.п.ф-лы, 28 ил.

1. Универсальный турбороторный двигатель, отличающийся тем, что, с целью непрерывного и одновременного преобразователя кинетической энергии истечения рабочего тела и потенциальной энергии внутреннего давления - объемного расширения в механическую энергию, содержит внешний либо внутренний статор с ребрами и размещенными в нем соплами и выпускными окнами, ротор с маятниковыми затворами, размещенными в окнах ротора, образующий со статором замкнутые полости, и укрепленные в нем для затворов опорные и упорные катки. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что, с целью уменьшения действия силы трения от центробежных сил маятниковых затворов, они соединены попарно и имеют жестко соединенные с ними копиры. 3. Двигатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что для двухполостного двигателя с эллипсовидным статором и полым цилиндрическим ротором при четырех затворах, размещенных через 90^o, маятниковые затворы имеют дуговую форму с радиусом дуги
R₁= ,
где r - малая полуось эллипсовидного статора - радиус цилиндрического ротора;
R - большая полуось эллипсовидного статора,
а длина этой дуги
L = arcsin + arcsin
и выполнены с возможностью передачи объединенным маятниковым затвором центробежных сил на каток, укрепленный в роторе. 4. Двигатель по пп. 1-3, отличающийся тем, что, с целью постоянной изоляции сопла от выпускного окна в полости расширения для двухполостного двигателя с эллипсовидным статором, находящимися в ней дуговыми маятниковыми затворами, внутренняя полость статора отвечает условию
R -R = Rα2

- r при α₁-α
где R и Rα2 - радиус-векторы эллипсовидного статора для значений угла α₁ и α ;
α₁ - угол между радиус-вектором эллипсовидного статора и его малой полуосью;
α - угол между радиус-вектором эллипсовидного статора и его большой полуосью при R .