ДВИГАТЕЛЬ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ Российский патент 1995 года по МПК F02G1/04 

Изобретение относится к двигателестроению, а точнее к двигателям с внешним подводом теплоты, работающим по циклу Андреева (авт.св. СССР N 476369, кл. F 02 G 1/04, 1975), отличительной особенностью которых является то, что рабочий процесс организован в двух оппозитных парах холодного и горячего объемов, между которыми осуществлен газообмен при экстремальном положении поршней, в результате чего в рабочем такте расширения участвует большее количество рабочего тела, чем в такте сжатия.

Известен двигатель с внешним подводом теплоты, работающий по этому циклу (авт. св. N 541039, кл. F 02 G 1/04, 1/06, 1976), который содержит корпус с цилиндрами и размещенные в них поршни, кинематически связанные с силовым механизмом и разделяющие цилиндры на холодные и горячие переменные объемы, сообщенные между собой при помощи газовой магистрали и распределительного устройства.

Наиболее близкой к изобретению является конструкция (авт.св. N 1236136, кл. F 02 G 1/04, 1986), содержащая горячий цилиндр и примыкающие к его торцам через регенераторы холодные цилиндры меньшего размера, в которых на общем штоке расположены один горячий и два холодных поршня, образующие емкости переменного объема, периодически сообщающиеся через перепускные проточки, выполненные на внутренней поверхности горячего цилиндра со стороны его торцов.

Недостатками прототипа являются ненадежность уплотнения трех поршней, работающих в условиях сухого трения, неэффективность подвода и отвода теплоты, значительные габариты и масса двигателя, особенно с учетом силового механизма отбора мощности.

Изобретение решает задачу повышения КПД разгрузки рабочих пар поршней от реактивных составляющих сил, возникающих при отборе мощности, сокращение габаритов и массы и улучшение условий теплообмена рабочего тела в подогревателе и холодильнике.

Поставленная задача решается тем, что оппозитные пары горячего и холодного объемов двигателя выполнены в виде переменных полостей, образованных телами вращения и двухлопастным неполноповоротным ротором, размещенным в них. Два горячих и два меньших по размерам, холодных переменных объема периодически попарно сообщаются посредством газораспределительной системы через подогреватель, регенератор и холодильник, а pотоp смонтирован на цапфах в подшипниках, расположенных вне рабочих объемов.

Изобретение может быть использовано при конструировании компактных, экологически чистых двигателей с высокими удельными показателями.

На фиг. 1 изображен предлагаемый двигатель в плане; на фиг.2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг.3 разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.4 разрез В-В на фиг.3; на фиг.5 показана диаграмма P-V работы двигателя.

Двигатель с внешним подводом теплоты состоит из горячего 1 и меньшего по размерам, холодного 2 корпусов, отделенных друг от друга теплоизолирующими вставками 3 и содержащих в своих полостях неполноповоротный ротор 4, лопасти которого делят полости на оппозитные переменные объемы, попарно сообщенные друг с другом.

Переменный горячий объем V_г1 постоянно сообщен с переменным холодным объемом V_х1 через трубчатый подогреватель 5, полость 6 регенератора, канал 7, полость 8 регенератора и трубчатый холодильник 9, выходящий в газораспределительный карман 10. Другой переменный горячий объем V_г2 постоянно сообщен с переменным холодным объемом V_х2 через трубчатый подогреватель 11, полость 12 регенератора, канал 13, полость 14 регенератора и трубчатый холодильник 15, выходящий в газораспределительный карман 16. Ротор 4 кинематически связан с валом 17 отбора мощности через силовой механизм, расположенный вне рабочей зоны и выполненный в виде крестовины 18 и косого кривошипа 19, а цилиндрическая часть ротора установлена в цапфах 20 на подшипниках 21, расположенных вне рабочей зоны. Все переменные объемы и газовые магистрали заполнены газообразным рабочим телом (р.т.) под избыточном давлением, например гелием. На корпусе установлены камеры 22 сгорания и водяная камера 23 охлаждения.

Рабочий цикл осуществляется при подводе теплоты к горячему корпусу и частичном отводе ее от холодного корпуса следующим образом (см. фиг. 2 и диаграмму P-V на фиг. 5).

В исходном положении, изображенном на фиг.2, все переменные объемы сообщены друг с другом, так как лопасти ротора находятся в крайнем положении, а его холодная лопасть при этом располагается на кармане 10, соединяющем холодные объемы V_х1 и V_х2 через трубчатые холодильники 9 и 15, регенераторы 8-6 и 14-12 и трубчатые подогреватели 5 и 11 с горячими объемами V_г1 и V_г2, за счет чего давление р.т. выравнено до усредненного значения Р_уср (см.фиг.5), следовательно, большее весовое количество р.т. находится в холодном объеме, так как имеет большую плотность. При вращении вала 17 отбора мощности ротор 4 поворачивается по часовой стрелке, следовательно, холодная лопасть ротора перекрывает карман 10 и разобщает пары переменных объемов V_х1 + V_г1 от переменных объемов V_х2 + V_г2. При этом более плотное р.т. перетекая из объема V_х2 через охладитель 15 и регенераторы 14 и 12, отбирает запасенную в них теплоту, подогревается дополнительно в нагревателе 11 и поступает в горячий объем V_г2 при максимальной температуре, повышая свое давление по мере перетекания из V_х2 в V_г2. Одновременно из горячего переменного объема V_г1 р.т. вытесняется через подогреватель 5, регенераторы 6 и 8, отдавая им запасенную теплоту, и через охладитель 9 при минимальной температуре поступает в объем V_х1, понижая свое давление по мере вытеснения из горячего объема V_г1 в холодный V_х1. Возникшие в результате разности давлений газовые составляющие силы вращают ротор 4 по часовой стрелке, по достижении которым крайнего положения холодная лопасть располагается над карманом 16, все переменные объемы вновь сообщаются и р.т. под действием разницы давлений вытесняется из переменных объемов V_г2 + V_х2 в объемы V_х1 + V_х2, давление р.т. выравнивается и большая часть р.т. будет в объеме Vх1. Далее цикл повторяется.

На диаграмме P-V (фиг.5) точки I и III соответствуют усредненному давлению р.т. Р_уср. перед моментом разобщения пар переменных объемов, после чего в одной паре (с меньшим весовым количеством р.т.) происходит (см.кривую I-II) сжатие р.т. с отводом теплоты и понижением давления до P_min и одновременно в другой паре переменных объемов (с большим количеством р.т.) происходит (см. кривую III-II) расширение р.т. с подводом теплоты и повышением давления до максимального значения P_max. Точки II и IV диаграммы соответствуют началу газообмена между переменными объемами и выравниванию давления в них до Р_ср.

Из вышеизложенного следует, что в предлагаемом двигателе с внешним подводом теплоты за счет компактности достигаются уменьшение вредных объемов, снижение гидродинамических потерь и, следовательно, повышение КПД.

Использование: в энергетике и транспорте. Сущность изобретения: в двигателе организуется периодический газообмен между четырмя переменными объемами, образованными в двух корпусах (горячем и холодном), посредствам двухлопастного неполноповоротного ротора, кинематически связанного с валом отбора мощности. В результате снижаются тепловые и гидродинамические потери, а рабочие пары трения разгружаются от реактивных сил. 1 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. ДВИГАТЕЛЬ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ, содержащий силовой механизм отбора мощности, переменные горячие и холодные рабочие объемы, выполненные в виде тел вращения и снабженные перепускными каналами, регенераторами, холодильниками и подогревателем, отличающийся тем, что на внутренних поверхностях холодных полостей выполнены газораспределительные карманы, сообщающие в экстремальных положениях холодной лопасти ротора рабочие полости одна с другой. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что размеры горячих переменных рабочих объемов больше размеров холодных переменных рабочих объемов пропорционально заданным средним значениям абсолютной температуры горячего и холодного рабочего тела.