ГАЗОВАЯ МАШИНА Российский патент 1995 года по МПК F02B53/00 F02B43/08 

Изобретение относится к тепловым роторно-поршневым двигателям. В современных роторно-поршневых двигателях корпус имеет двухэпитрохоидальный профиль, по которому движутся вершины треугольного ротора. Полный оборот совершается за три оборота эксцентрикового вала, который одновременно является и валом отбора мощности. За один оборот ротора в каждой рабочей полости дважды происходит полный цикл изменений объема, что позволяет при наличии одного впускного и одного выпускного окна осуществить четырехтактный цикл.

Недостатками первого аналога, устраненными в предлагаемой газовой машине, являются виброактивность ротора, малая экономичность, потому что первый аналог не может работать на дешевом недефицитном твердом топливе, на котором может работать предлагаемая машина, малые герметичности камер, отсекаемых гранями ротора, сложная система зажигания и приготовления горючей смеси, прерывистость горения.

Второй аналог включает связанные части стойки и регулятора скорости, части систем питания, смазки, пуска, зажигания и охлаждения, части теплового преобразователя химической энергии нетвердого топлива и тепловую энергию рабочего газа-продукта сгорания топлива, газопровод и воздухопровод, полости которых, соединенных герметически с частью стойки-корпусом теплового преобразователя, примыкают к полости этого корпуса, в которой выполнена часть-полость камеры сгорания, для нагнетания воздуха в полость камеры сгорания компрессор, часть стойки-корпус которого герметически соединена с воздухопроводом, полость которого примыкает к нагнетательной полости компрессора, всасывающая полость которого примыкает к атмосфере, механический преобразователь тепловой энергии рабочего газа в механическую работу, включающий часть стойки-корпус, рабочая и выпускная полость которого, соединенного герметически с газопроводом, соответственно примыкает к полости газопровода и атмосфере, вал, соединенный шарнирно с корпусом механического преобразователя и связанный кинематически с частью компрессора, ротор, соединенный неподвижно с валом и установленный в корпусе механического преобразователя, и пластинчатые поршни, прилегающие к частям внутренней поверхности корпуса механического преобразователя и ротора и образующие поступательные пары соответственно с частями ротора, в полостях которого выполнены части поршней, выполненных частично вне ротора.

Недостатками прототипа, устраненными в предлагаемой газовой машине, являются малая экономичность, потому что прототип может работать только на дорогом жидком топливе, малые срок службы и КПД, так как в прототипе каждый поршень, работающий в условиях высокой температуры и ограниченной смазки, быстро истирается под действием уменьшающей КПД силы трения, возникающей при скольжении этого поршня по кривой части поверхности, ограничивающей полость корпуса механического преобразователя, и пропорциональной величине центробежной силы давления этого поршня на эту кривую часть: малая работоспособность, так как рабочий газ в полости корпуса механического преобразователя, расширяясь в течение первой четверти каждого периода вращения ротора относительно стойки, совершает положительную работу, и, сжимаясь в течение второй четверти этого периода, совершает отрицательную работу, потому что механический преобразователь прототипа имеет две различные плоскости симметрии, громоздкую трубопроводную систему.

Третий аналог, выбранный в качестве прототипа, в котором описывается газовая машина, содержащая системы регулятора скорости, питания смазки, пуска, охлаждения и зажигания, три последовательно связанных полых корпуса соответственно компрессора, теплового преобразователя и роторно-поршневого преобразователя тепловой энергии в механическую работу, связанных между собой и атмосферой последовательно воздухопроводами и газопроводами, соединенными с корпусами герметически, причем в полости теплового преобразователя, выполненной в виде камеры сгорания, размещены средства подачи топлива в полости роторно-поршневого преобразователя, с минимальными технологическими зазорами установлен цилиндрический ротор с пазом, связанный жестко с валом и кинематически с корпусом и компрессором, и поршень, установленный в пазу ротора с возможностью перемещения и скользящего контакта с поверхностью паза ротора и жестко связанный с тягой, установленной в полости ротора с возможностью вращения соосно полости корпуса, и средства регулирования газообмена.

Основные недостатки аналогичны предыдущему аналогу.

Цель изобретения увеличение экономичности, долговечности, КПД и работоспособности.

Предлагаемая газовая машина включает связанные колосниковую решетку для сжигания на ней твердого топлива, установленную в части стойки-корпуса теплового преобразователя, предназначенного для преобразования химической энергии топлива в тепловую энергию рабочего газа-продукта сгорания этого топлива, бункер, предназначенный для перемещения топлива извне в полость корпуса теплового преобразователя и образующий кинематическую пару с корпусом теплового преобразователя, полость корпуса которого примыкает к полостям газопровода и воздухопровода, примыкающим соответственно к рабочей полости корпуса роторно-поршневого механического преобразователя и нагнетательной полости компрессора, всасывающая полость которого примыкает к атмосфере, примыкающей к выпускной полости корпуса механического преобразователя, в корпусе которого, предназначенного для преобразования тепловой энергии рабочего газа в механическую работу, эксцентрично установлен ротор, части внешней поверхности которого, соединенного шарнирно со стойкой, выполнены соответственно в виде частей поверхности вращения, ось вращения которой совпадает с прямой осью вращения стойки относительно ротора, связанного кинематически с частью компрессора и частью, служащей для выполнения полезной работы, части сходных узлов, первый из которых включает ползун, образующий поступательную пару с ротором, ролик, выполнены минимальные зазоры между противоположными первой и второй частями внутренней поверхности ротора, ограничивающей частично полость, выполненную в роторе, и соответственно противоположными частями боковой поверхности которого, соединенного шарнирно с поршнем-частью этого узла выполненным частично вне ротора и соединенным шарнирно со стойкой, прямая ось вращения которой относительно поршня выполнена в виде оси вращения поверхностей вращения, в виде частей которых выполнены соответственно кривые первая часть поверхности поршня и часть внутренней поверхности корпуса механического преобразователя, выполнен минимальный зазор между кривой частью которой и первой частью поверхности поршня, совпадают прямая ось вращения которого относительно ролика, прямая ось вращения ролика относительно ползуна, прямая ось вращения поршня относительно ползуна и ось вращения поверхностей вращения, в виде частей которых между первой частью поверхности и роликом выполнены соответственно последовательно расположенные первая часть поверхности ползуна, вторая часть поверхности поршня, выполнен минимальный зазор между второй частью поверхности которого и первой частью поверхности ползуна, вторая часть поверхности ползуна и третья часть поверхности поршня и третьей частью поверхностью которого, соединенного шарнирно с ползуном, выполнены минимальные зазоры между противоположными третьей и четвертой частями поверхности которого и соответственно первой и второй частями поверхности ротора, выполненного в виде золотника-части золотникового распределения, предназначенной для закрытия впускного отверстия, выполненного в плоской части корпуса механического преобразователя и сообщающего полость газопровода и полость, выполненную в роторе и примыкающую к рабочей полости корпуса механического преобразователя, выполнены минимальные зазоры между плоскими частями внутренней поверхности корпуса которого и соответственно плоскими частями поверхностей поршня, ползуна, ротора.

На фиг. 1 показана часть роторно-поршневого преобразователя для преобразования тепловой энергии рабочего газа в механическую работу вращающегося вала; на фиг. 2 тепловой преобразователь для преобразования химической энергии твердого топлива в тепловую энергию рабочего газа-продукта сгорания этого топлива; на фиг. 3 преобразователь для преобразования атомной энергии в тепловую энергию рабочего воздуха.

Часть кривой части 1 внешней поверхности ротора 14, часть выпускной полости 2 корпуса 3 части стойки, часть корпуса 3 роторно-поршневого преобразователя, звено (ползун) 4, часть (звена) поршня 5, кривая первая часть 6 поверхности поршня 5, кривая вторая часть 7 поверхности поршня 5, часть кривой части 8 внутренней поверхности корпуса 3, кривая вторая часть 9 поверхности ползуна 4, часть рабочей полости 10 корпуса 3, кривая третья часть 11 поверхности поршня 5, плоская вторая часть 12 внутренней поверхности паза ротора 14, плоская четвертая часть 13 поверхности ползуна 4, часть ротора 14, ролик 15, часть звена (тяга) 16, часть звена (противовес) 17, вал 18, ось 19, при помощи которой, соединенной со стойкой и тягой 16, поршень 5 соединен шарнирно со стойкой, первая полость 20 ротора 14, кривая первая часть 21 поверхности ползуна 4, плоская первая часть 22 внутренней поверхности паза ротора 14, плоская третья часть 23 поверхности ползуна 4, часть газопровода 24 (фиг.2), часть стойки-корпуса 25 преобразователя химической энергии, полость 26 корпуса 25, часть воздухопровода 27, колосниковая решетка 28, звено (бункер) 29, полость 30 бункера 29, система 31 для управления работой атомного реактора 32 (фиг.3).

П р и м е р 1. Машина содержит связанные части стойки, регулятора скорости, систем питания, смазки, пуска, охлаждения и зажигания, тепловой преобразователь для преобразования химической энергии твердого топлива в тепловую энергию рабочего газа-продукта сгорания этого топлива, включающий часть корпуса 25, часть полости 26 которого выполнена в виде полости камеры сгорания, бункер 29 для перемещения топлива из вне в полость камеры сгорания, с корпусом 25 соединенный шарнирно и герметически, и колосниковую решетку 28 для сжигания на ней топлива, установленную в корпусе 25 компрессор для нагнетания воздуха в камеру сгорания, воздухопровод 27, полость которого, соединенного герметически с корпусом 25 и частью стойки-корпуса компрессора, примыкает к полости 26 корпуса 25 и нагнетательной полости компрессора, всасывающая полость которого примыкает к атмосфере, газопровод 24, полость которого, соединенного герметически с корпусом 25, примыкает к полости 26, и роторно-поршневой преобразователь для преобразования тепловой энергии рабочего газа в механическую работу, включающий часть стойки корпуса 3, в котором, соединенном герметически с газопроводом и включающем полости рабочую 10 и выпускную 2, выполнены отверстия выпускное, сообщающее выпускную полость и атмосферу, и впускное (не показаны), вал 18, соединенный шарнирно с корпусом 3 и связанный кинематически с частью компрессора и частью, предназначенной для выполнения полезной работы, установленный эксцентрично в корпусе 3 ротор 14, части внешней поверхности которого, соединенного неподвижно с валом 18, выполнены соответственно в виде частей поверхности вращения, ось вращения которой совпадает с прямой-осью вращения ротора относительно стойки, выполнен минимальный зазор между кривой частью 1 и кривой частью 8 внутренней поверхности корпуса 3, ползун 4, образующий поступательную пару с ротором, ролик 15, выполнены минимальные зазоры между противоположными частями боковой поверхности которого и соответственно противоположными первой 22 и второй 12 параллельными плоскими частями внутренней поверхности паза ротора, ограничивающими частично первую полость 20, выполненную в роторе 14, поршень 5, часть которого, выполненного частично вне ротора и соединенного шарнирно с роликом 15, выполнена в полости 20, тягу 15, выполненную в полости 20 и соединенную неподвижно с поршнем, противовес 17, выполненный в полости 20 и соединенный неподвижно с тягой и шарнирно со стойкой, прямая ось вращения которой относительно поршня, выполненная между тягой и противовесом, выполнена в виде оси вращения поверхностей вращения, в виде частей которых выполнены соответственно кривые первая часть 6 поверхности поршня и часть 8 внутренней поверхности корпуса 3, выполнен минимальный зазор между частью 8 которой и частью 6 поверхности поршня, совпадают прямая ось вращения которого относительно ролика, прямая-ось вращения ролика относительно ползуна 4, прямая-ось вращения ползуна относительно поршня и ось вращений поверхностей вращения, в виде частей которых между частью 6 поверхности поршня и роликом выполнены соответственно последовательно расположенные первая часть 21 поверхности ползуна, вторая часть 7 поверхности поршня, выполнен минимальный зазор между частью 7 поверхности которого и частью 21 поверхности ползуна, третья часть 11 поверхности поршня и вторая часть 9 поверхности ползуна, выполнен минимальный зазор между частью поверхности которого и частью 11 поверхности поршня, соединенного шарнирно с ползуном, выполнены минимальные зазоры между противопо- ложными третьей 23 и четвертой 13 плоскими параллельными частями поверхности которого и соответственно частями 22 и 12 поверхности ротора, выполненного в виде золотника-части золотникового распределения и предназначенного для закрытия впускного отверстия, выполненного в плоской части корпуса 3 и сообщающего полость газопровода 24 и вторую полость, выполненную в роторе и примыкающую к рабочей полости 10 корпуса 3, выполнены минимальные зазоры между плоскими частями внутренней поверхности которого и соответственно плоскими частями поверхностей ротора, поршня и ползуна.

Превращение химической энергии твердого топлива в механическую работу вала 18 вращающегося относительно стойки и делающего за период работы один оборот. В начале периода поршень 5 проходит минимальный зазор между кривой частью 8 внутренней поверхности корпуса 3 и кривой частью поверхности вращения, в виде частей которой выполнены соответственно части боковой поверхности 1 ротора-золотника 14, периодически открывающего и закрывающего впускное отверстие, которое в течение частей периода соответственно открывается, открыто, закрывается и закрыто. Во время открытия впускного отверстия возникает рабочая полость 10, объем которой увеличивается после открытия впускного отверстия. В течение последней части периода поршень проходит мимо выпускного отверстия; во время прохождения поршня мимо выпускного отверстия исзчезает выпускная полость 2, рабочая полость 1 становится новой выпускной полостью 2. Рабочий газ-продукт сгорания твердого топлива поступает из камеры сгорания по газопроводу 24 через открытое впускное отверстие и через вторую полость, выполненную в роторе, в рабочую полость 10 и, расширяясь, совершает положительную работу, т.е. относительно стойки вращает поршень 5, который давит на ролик 15, ротор 14 и вал 18, а они действуют соответственно на части, включающие часть, выполняющую полезную работу, и часть компрессора, всасывающего из атмосферы воздух и нагнетающего из нагнетательной полости компрессора во воздухопроводу 27 в камеру сгорания этого воздух, который в этой камере поддерживает горение твердого топлива. Во время горения топлива возникают продукты сгорания топлива-рабочие газы, температура и давление которых увеличиваются после закрытия впускного отверстия и уменьшаются после открытия впускного отверстия. После закрытия впускного отверстия в течение части периода рабочий газ в рабочей полости 10, герметически закрытой, расширяясь, совершает положительную работу вращает поршень 5 относительно стойки. Поршень 5 из выпускной полости 2 выталкивает в атмосферу отработавшие газы через выпускное отверстие. Бункер, связанный кинематически с валом 18 и вращающийся относительно стойки, перемещает топливо, поступающее извне в полость 30 бункера 29 из этой полости поступающее в камеру сгорания. Ролик 15, направление поворота которого относительно поршня 5 периодически изменяется, попеременно катится по частям 22 и 12 внутренней поверхности ротора 14, создает положительный эффект уменьшение вредного трения скольжения ползуна 4 по частям поверхности паза ротора. Отсутствие скольжения кривых частей 6, 7 и 11 поверхности поршня 5 соответственно по кривым частям, включающим часть 8 внутренней поверхности корпуса 3 и части 21 и 9 поверхности ползуна, создает положительный эффект уменьшение вредного трения. Большие герметичности между звеньями преобразователя, попарно взятыми, создают положительный эффект уменьшение вероятности поступления рабочего газа из рабочей полости 10 в полость 2.

П р и м е р 2 (фиг.3) отличается от примера 1 тем, что преобразователь энергии выполнен в виде подземного атомного преобразователя, совпадающего с преобразователем химической энергии по выполняемой функции вращению энергии в тепловую энергию рабочего газа и включающего подземный атомный реактор 32, систему 31 для управления работой реактора 32, к внешней поверхности которого, выполненного в корпусе 26 атомного преобразователя, примыкает полость 26 корпуса 25, в которой нагревается воздух или рабочий газ.

П р и м е р 3 (не проиллюстрирован) отличается от примеров 1 и 2 тем, что поршень, ползун, ролик, тяга совпадают с противовесом 17 по выполняемой функции уменьшению виброактивности и сходны соответственно с поршнем 5, ползуном 4, роликом 15, тягой 16.

П р и м е р 4 (не проиллюстрирован) отличается от примеров 1,2 и 3 тем, что газораспределение выполнено в виде клапанного газораспределения, совпадающего с золотниковым газораспределением по выполняемой функции и включающего клапан для закрытия впускного отверстия, соединенный шарнирно со стойкой, кулачок, соединенный неподвижно с ротором образующий кинематическую пару с клапаном, пружину, действующую на клапан и на стойку.

Сущность изобретения: газовая машина содержит три последовательно установленных полых корпуса соответственно компрессора, теплового преобразователя и роторно-поршневого преобразователя тепловой энергии в механическую работу, связанных между собой и с атмосферой последовательно воздухопроводами и газопроводами, соединенными с корпусами герметически. В полости теплого преобразователя, выполненный в виде камеры сгорания, размещены средства подачи топлива. В полости роторно-поршневого преобразователя установлены цилиндрический полый ротор с пазом, связанный жестко с валом и кинематически с корпусом и компрессором, и поршень в пазу ротора с возможностью перемещения и скользящего контакта с поверхностью паза ротора и корпуса и жестко связанный с тягой, установленной в полости ротора с возможностью вращения соосно полости корпуса и средства регулирования газообмена. Корпус теплового преобразователя снабжен бункером подачи твердого топлива в виде полого цилиндра с коном на его боковой поверхности, выполненным с возможностью последовательного сообщения с атмосферой или полостью камеры сгорания или разобщения с ними, и колосковой решеткой, а роторно-поршневой преобразователь ползуном противовесом и роликом, установленным в пазу ротора и кинематически связанным с поршнем и пазом ротора. Кинематическая связь ползуна и поршня выполнена в виде шарнира и трех пар сопряженных цилиндрических поверхностей поршня и ползуна соответственно, концентричных оси шарнира, расположенных так, что поршень имеет П-образную форму, а ползун две Г-образные части с Г-образным пазом между ними, в котором установлен поршень. Ролик установлен сооносно шарниру с возможностью качения в пазу ротора, а противовес установлен жестко на тяге поршня со стороны, противоположной поршню. Тепловой преобразователь может быть выполнен в виде подземного атомного реактора, имеющего систему управления его работой, и газовую полость, соединенную с газопроводом и воздухопроводом машины и расположенную вокруг внешней поверхности атомного реактора. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. ГАЗОВАЯ МАШИНА, содержащая системы регулятора скорости, питания, смазки, пуска, охлаждения и зажигания, три последовательно установленных полых корпуса соответственно компрессора, теплового преобразователя и роторно-поршневого преобразователя тепловой энергии в механическую работу, связанных между собой и с атмосферой последовательно воздухо- и газопроводами, соединенными с корпусами герметически, причем в полости теплового преобразователя, выполненной в виде камеры сгорания, размещены средства подачи топлива, в полости корпуса роторно-поршневого преобразователя с минимальными технологическими зазорами установлены цилиндрический полый ротор с пазом, связанный жестко с валом и кинематически с корпусом и компрессором, поршень, установленный в пазу ротора с возможностью перемещения и скользящего контакта с поверхностью паза ротора и жестко связанный с тягой, установленной в полости ротора с возможностью вращения соосно с полостью корпуса, и средства регулирования газообмена, отличающаяся тем, что корпус теплового преобразователя снабжен бункером подачи твердого топлива в виде полого цилиндра с окном на его боковой поверхности, выполненным с возможностью последовательного сообщения с атмосферой или полостью камеры сгорания или разобщения с ними, и колосниковой решеткой, а роторно-поршневой преобразователь ползуном-противовесом и роликом, установленным в пазу ротора и кинематически связанным с поршнем и пазом ротора, причем кинематическая связь ползуна и поршня выполнена в виде шарнира и трех пар сопряженных цилиндрических поверхностей поршня и ползуна соответственно, концентричных оси шарнира, выполненных так, что поршень имеет П-образную форму, а ползун две Г-образные части с Г-образным пазом между ними, в котором установлен поршень, ролик установлен соосно с шарниром с возможностью качения в пазу ротора, а противовес установлен жестко на тяге поршня со стороны, противоположной поршню. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что средство регулирования газообмена выполнены в виде каналов и окон газораспределения в роторе, размещенных на его боковой поверхности с возможностью периодического сообщения с газопроводами корпуса роторно-поршневого преобразователя и сообщения через каналы в роторе с полостью этого корпуса. 3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что средство регулирования газообмена выполнено клапанным, клапан которого образует кинематическую пару с корпусом и подпружинен, а кулачок которого жестко связан с ротором и кинематически с клапаном. 4. Машина по п.1, отличающаяся тем, что тепловой преобразователь выполнен в виде подземного атомного реактора, имеющего систему управления его работой и газовую полость, соединенную с газо- и воздухопроводами машины и расположенную вокруг внешней поверхности атомного реактора.