РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА Российский патент 1995 года по МПК F02G1/43 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в автомобиле- и тракторостроении, на водномоторных судах, дельтопланах, космосе, т. е. везде, где невозможно или затруднено применение углеводородных видов топлива, но могут быть использованы другие источники или аккумуляторы тепла.

Известны РПД стирлинга, использующие, как наиболее перспективную, схему Ванкеля (эпитрохоидный статор с трехугловым ротором), хотя встречаются и разновидности, эпитрохоидный статор, цилиндрический ротор с шибернозаслоночным разделением объема статора на две рабочие камеры. Аналога, использующего гипотрохоидную схему с внутренней огибающей не обнаружено. Но именно в этой схеме, в отличие от схемы Ванкеля, рабочие циклы проходят в одной рабочей камере, как и в поршневых двигателях.

Целью изобретения является создание роторно-поршневого двигателя Стирлинга за счет полного использования возможности достижения высоких степеней сжатия рабочих камер (тем самым объем "вредного" пространства сводится лишь к объему теплообменника: нагреватель, регенератор, холодильник, чем поднимается эффективная степень сжатия всего двигателя, а следовательно, и его КПД).

Предлагаемый роторно-поршневой двигатель содержит две секции, каждая из которых состоит из профилированного статора 1 с боковыми крышками. Статор 1 имеет равностороннее трехугловое сечение, в углах расположены рабочие камеры, имеющие каналы подвода и отвода рабочей среды. В статоре 1 расположен ротор 2 эллипсного сечения, при вращении непрерывно делящий объем статора 1 на три части. Имеется также рабочий вал 3, вращение на который с ротора 2 передается планетарной зубчатой передачей посредством шестерен 4 ротора 2 и ведомой шестерни 5, жестко посаженной на вал 3. Обе шестерни 4 и 5 находятся в постоянном зацеплении. Ротор 2 свободно посажен на эксцентриковую втулку 6, свободно вращающуюся на валу 3. Ротор одной секции выполняет роль рабочего поршня, а ротор второй секции роль вытеснительного поршня. Роторы 2 сдвинуты на оси вала 3 относительно один другого, а рабочие камеры обоих статоров 1 совмещены по секторам и объединены в рабочие пары посредством теплообменников, состоящих из нагревателя Н, регенератора Р, холодильника Х. От известного двигателя Стирлинга (по схеме РПД Ванкеля) предлагаемый двигатель отличается тем, что его статор имеет равностороннее треугольное сечение, а угол сдвига роторов относительно один другого 90^о.

Работа двигателя проходит в следующем порядке.

Обозначив вершины роторов 2 холодного (рабочего) и горячего вытеснителя соответственно через 2А-2В и 2С-2Д, получают цепочку цикла.

а) Вершина вытеснителя 2С находится в ВМТ и остается условно неподвижной; газ сжимается рабочим ротором (вершина 2А) и поступает в холодильник Х; давление возрастает, а температура остается постоянной, так как теплота отводится через стенки статора и холодильник Х в окружающую среду при Т_мин; происходит изотермическое сжатие.

б) Вершина 2А рабочего ротора находится вблизи ВМТ и остается условно неподвижной; вершина вытеснитель 2С движется от ВМТ, освобождая горячую полость, куда поступает газ, вначале проходя через регенератор Р, заполненный нагретой в предыдущем цикле пористой насадкой, и нагреватель Н, температура газа повышается от Т_мин до Т_макс. так как при этом суммарный объем рабочих камер остается постоянным, давление газа в них повышается и достигает максимального значения. Происходит изохорное нагревание.

в) Вершина ротора-вытеснителя 2С находится вблизи НМТ и остается условно неподвижной; вершина 2А рабочего ротора под действием давления нагретого газа "вниз", полезная работа, совершаемая рабочим ротором 2А, через ведущую шестерню 4 ротора 2 и ведомую шестерню 5 передается на рабчий вал 3 двигателя; температура в нагревателе остается постоянной, поскольку к нему подводится тепло от горячего источника (например, горелки 7). Изотермическое расширение.

г) Вершина 2А рабочего ротора находится вблизи НМТ и остается условно неподвижной; ротор вытеснитель 2Д движется к ВМТ и перемещает оставшийся в горячей полости газ в холодную полость; при прохождении через регенератор Р горячий газ отдает тепло материалу пористой насадки и, охлаждаясь в холодильнике Х, переходит от Т_макс. к Т_мин.; так как при этом суммарный объем рабочих камер двигателя остается постоянным, давление газа в них продолжает падать и достигает минимального значения. Происходит изохорное охлаждение. Далее весь полный цикл в рассматриваемой паре рабочих камер повторяется, но уже посредством вершин роторов 2В и 2Д соответственно.

Поскольку двигатель состоит из двух трехкамерных секций, т.е. из трех пар рабочих камер, а вершины роторов 2А-2С и 2В-2Д в каждой паре камер соответственно совершают полный рабочий цикл, то за один полный оборот ротора (роторов) в двигателе происходит 6 завершенных рабочих циклов.

К технико-экономическим преимуществам прежде всего следует отнести меньшую материалоемкость по сравнению с традиционными поршневыми двигателями, а также возможность использования всех видов топлива от твердых до газообразных. В то же время явно прослеживается совпадение совершения рабочего цикла в одной точке рабочего объема в статоре предлагаемой схемы, как и в цилиндре поршневого двигателя. Это совпадение положительно отличает роторно-поршневой двигатель Стирлинга данной схемы от схемы Ванкеля, где в силу особенностей кинематики такты вынуждены сменяться в различных частях рабочей полости, а геометрические формы усложняют оптимальное прохождение циклов.

Использование: в энергетике и транспорте. Сущность изобретения: роторно-поршневой двигатель Стирлинга содержит две секции с профилированными статорами и роторами, при этом ротор одной секции выполняет роль рабочего поршня, а ротор другой секции роль вытеснительного поршня. Статор имеет равностороннее треугольное сечение, ротор эллипсное сеченье, а угол сдвига роторов относительно один другого составляет 90°. 2 ил.

РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА, содержащий две секции, каждая из которых состоит из профилированного статора с каналами подвода и отвода рабочей среды, боковых статорных крышек, профилированного ротора, установленного в статоре с образованием рабочих камер, планетарной зубча ой передачи и эксцентриковой втулки, свободно вращающейся на валу, при этом ротор одной секции выполняет роль рабочего поршня, а ротор второй секции роль вытеснительного поршня, роторы сдвинуты на оси вала один относительно другого, рабочие камеры боих статоров совмещены по секторам и объединены в рабочие пары посредством теплообменника нагревателя, регенератора и холодильника, отличающийся тем, что статор имеете равностороннее треугольное сечение, ротор эллипсное сечение, а угол сдвига ро оров один относительно другого составляет 90°.