РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ КАШЕВАРОВА РДК Российский патент 1997 года по МПК F02B53/00 

Роторный двигатель РДК относится к энергетической технике и может быть применен для транспортных средств в качестве двигателя для стационарных энергетических установок и электростанций.

Известен роторный двигатель, содержащий двухсекционный статор с роторами, образующие камеры расширения и сгорания, системы зажигания и запуска.

Известный двигатель имеет низкий КПД, малый срок службы и сложен в эксплуатации.

Техническим результатом данного изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.

Устройство и работа РДК поясняется чертежами, где на фиг. 1 вид сверху двигателя; на фиг. 2 сечение по А-А на фиг. 1, увеличенное в 2 раза по сравнению с фиг. 1; на фиг. 3 сечение по Б-Б на фиг. 2; на фиг. 4 сечение по В-В на фиг. 1 в увеличенном виде; на фиг. 5 часть сечения оголовника по Б-Б на фиг. 2 в увеличенном виде; на фиг. 6 сечение по Г-Г на фиг. 2; на фиг. 7 сечение по Д-Д на фиг. 2; на фиг. 8 часть сечения по Г-Г обода и оси дверцы на фиг. 2 в увеличенном виде; на фиг. 9 а и б часть сечения по А-А на фиг. 1 клапана и дверцы в увеличенном виде а) в закрытом положении дверцы, б) в открытом положении дверцы.

РДК имеет два статора 1, два ротора 2, оголовник 3, компрессор 4, электрогенератор 5, аккумулятор 6, стартер 7, баллон 8 со сжатым воздухом.

Статор 1 имеет четыре расширительные камеры 9, отделенные друг от друга тремя радиальными стенками 10, между которыми образована узкая камера 11. Через центральные части торцевых стенок 12 статора 1 проходит ось 13 вращения ротора 2.

Радиальные стенки каждой камеры 9 соединены сводчатым перекрытием 14, образующим наружную боковую поверхность корпуса статора 1. Внутренние поверхности статора 2 покрыты теплоизолирующим материалом, стойким к высоким температурам.

Два статора 1 жестко соединены между собой и с оголовником 3 прокладками 15 (например, сварены) в неразъемное устройство. Между статорами 1 образована камера 16 для выхлопных газов, которые поступают в нее из расширительных камер через отверстие 17 в торцевой стенке 18 расширительной камеры 9 статора 1.

В расширительную камеру 9 газы высоких параметров, образовавшиеся при горении топливной смеси, поступают через отверстия 19 в торцевой стенке 20 расширительной камеры 9 статора 1. Из камеры 16 выхлопные газы выходят через выхлопную трубу 21.

Ротор 2 имеет цилиндрический корпус 22 с пятью ободами 23, в которых установлены оси 24 поворота четырех дверец 25, являющихся подвижной торцевой стенкой расширительной камеры 9, при этом оси 24 дверец 25, установленных в смежных камерах 9, смещены относительно друг друга на четвертую часть окружности цилиндрической поверхности корпуса 22. Дверца 25 жестко соединена с осью 24, установленной в смежных ободах 23. С противоположной стороны дверцы 25 около ободов 23 на оси 24 установлены упорные пластины 26, ограничивающие поворот дверцы 25 до положения, при котором она перекрывает камеру 9 с минимальным воздушным зазором между внутренней поверхностью стенок статора и дверцей 25. Не доходя 1/4 дуги поворота дверцы 25 до вышеупомянутого положения, упорная пластина 26 касается пластинчатой пружины 27, закрепленной на внутренней части цилиндрической поверхности 28 ротора 2. Пружина 27 противодействует дальнейшему отклонению пластины 26, вызванному отклонением дверцы 25 под давлением газов, и уменьшает скорость дальнейшего поворота дверцы 25 вокруг оси 24. При повороте дверцы 25 до предельного положения пластины 26 прижимает конец пружины 28 к упорному выступу 29, установленному на радиальном диске 30, соединяющем обод 23 с осью 13 вращения ротора 2.

Дверца 25 имеет наибольшую толщину, равную половине толщины цилиндрического корпуса 22, у оси 24 и наименьшую толщину у ее противоположного конца, который имеет небольшой изгиб в сторону, противоположную движению дверцы 25, при этом толщина загнутой части края дверцы 25 составляет доли миллиметра, а сам изгиб не превышает толщины дверцы 25 у ее оси 24.

На концах оси 13 ротора 2 закреплены шестерни 31 с закрепленными на них шестернями 32. Шестерни 31 находятся в зацеплении с шестернями 33, одна из которых может быть закреплена на выходном валу 34 двигателя. Шестерня 32, вдвое меньше диаметра, чем шестерня 31, находится в зацеплении с сателлитной шестерней 35, которая, в свою очередь, находится в зацеплении с сателлитной шестерней 36, находящейся в зацеплении с шестерней 37, такого же диаметра, что и шестерня 32. Шестерня 37 закреплена на оси вращения 38 нижнего цилиндрического клапана 39 расширительной камеры 9. Благодаря этому цилиндрический клапан 39 вращается с той же угловой скоростью, что и ротор 9, но в противоположном направлении. Четыре нижних цилиндрических клапана 39 вращаются в цилиндрических корпусах 40, жестко соединенных с корпусом статора 1 и с оголовником 3.

Между торцами клапанов 39 расположена камера 41 для впуска газов из цилиндрического клапана 42 камеры сгорания 43 в торцы осевых газоводов 44 цилиндрических клапанов 39. Выпуск газов из осевого газовода 44 в расширительную камеру 9 производится через его колено 45 и отверстия 46 в корпусе 40, а также через отверстие 19 в торцевой стенке 20 и через щелевидное отверстие 47 в корпусе 40 и в торцевой стенке 18. Отверстие 47 соединяет газовод 44 с отверстиями 48 камеры 49, образованной в корпусе 22 под внутренней поверхностью дверцы 25, предназначенное для создания давления на дверцу 25 газов, поступивших через отверстие 47, перед проходом дверцы 25 стыка торцевых поверхностей 18 и 20. Благодаря такому давлению газов на дверцу 25 она стремительно откроется, как только пройдет ее конец через стык 18 20, и начнет движение, изображенное на фиг. 8б, в направлении, указанном стрелкой, до положения, изображенного пунктирными линиями.

Газы, сжатые дверцей 25 при подходе ее к стенке 18, создадут воздушную прослойку между дверцей 25 и стенкой 18 в момент подхода ее к оси 24 к стыку 18 20 и исключат контакт поверхностей 18 и дверцы 25, следовательно, исключат трение этих поверхностей друг с другом при закрывании дверцы 25.

Восемь колен 45 газоводов 44 в клапанах 39 проходят к отверстиям 46 в корпусах 40 через каждые 45^o поворота клапанов 39 в последовательности, обозначенное римскими цифрами на фиг. 7.

Оголовник 3 имеет: сферическую камеру сгорания 43, образованную жаростойким термоинерционным (теплоемким) сплавом 50, между которым и корпусом оголовника 3 установлена термоизолирующая прокладка 51, камеры 52 и 53 соответственно для сжатого воздуха и горячего газа образованы концентрическими сферическими поверхностями вокруг камеры сгорания 43 и меридиально расположенными поясами 54, соединяющими наружную и внутреннюю части оголовника 3.

Пояса 54 соединяются между собой в верхней части оголовника 3, образуя корпус верхнего цилиндрического клапана 55 камеры сгорания 43 и доходя до клапанов 39 и 42.

Камеры 52 и 53 соединяются с камерой 43 конусными трубочками 56, при этом каждые две конусные трубочки 56, идущие от камер 52 со сжатым воздухом, и одна, идущая от камеры 53 с горячим газом, смежной с камерой 52, соединяются между собой в смесительной микрокамере, имеющей отверстие, соединяющее ее с камерой 43.

Патрубки 57 и 58 соединяют камеры 52 и 53 с кольцевыми трубопроводами 59 и 60, подсоединенными соответственно к баллону 8 для сжатого воздуха и к баллону для горячего газа (на фиг. не показан).

Электросвечи 61 установлены в камере 43 между смесительными микрокамерами 62.

Верхний цилиндрический клапан 55 имеет три газовода 63, соединяющих за один оборот клапана 55 три раза камеры сгорания 43 с выхлопной трубой 21 с помощью патрубка 64.

Нижний цилиндрический клапан 42 соединяет газоводами 65 камеру 41 и через нее газоводы 44 цилиндрических клапанов с камерой 43 в момент, когда топливная смесь воспламенится, и до момента падения давления в камере 43 до давления топливной смеси перед ее воспламенением.

Верхний выпускной клапан 55 газоводами 63 соединяет камеру 43 с патрубком 64 после того, как в камере 43 давление понизится и клапан 42 закроется. Вращение клапанов 42 и 56, соединенных шестернями, производится с помощью электродвигателя 66. Во время одного оборота клапана 56 он три раза замыкает и размыкает электроцепь устройства, включающего электросвечи 61. Такое устройство позволяет иметь частоту вращения клапанов 42 и 56 в три раза меньше частоты включения электросвечей 61. За время соединения камеры 43 с патрубком 64 давление в камере 43 снижается в 2 3 раза, и она заполняется топливной смесью. После перекрытия клапаном 56 патрубка 64 давление в камере 43 поднимается поступлением топливной смеси до нормы и производится замыкание электроцепи электросвечи 61 кулачком вала клапана 55 при его вращении электродвигателем 66.

Мощность РДК определяется прежде всего производительностью камеры сгорания 43, которая равна произведению ее объема на давление поступающих в нее сжатого воздуха и природного (или сжиженного) газа и на число воспламенений топливной смеси в секунду. Давление воздуха и природного или сжиженного газа, поступающего в камеры 52 и 53 благодаря высокому октановому числу горячего газа, может доходить до 10 кг/см² для получения максимальной мощности РДК, а число воспламенений, задаваемое частотой включения электросвечей 61, может быть более 100 в секунду. При этом частота включения электросвечей 61 должна уменьшаться с уменьшением давления сжатого воздуха и газов. Управление изменением частоты включения электросвечей 61 и устройствами, определяющими давление воздуха и газов, поступающих в камеры 52 и 53, производится бортовым компьютером по заданной программе.

Работа роторного двигателя.

Пуск РДК производится включением стартера 7 в электроцепь аккумулятора 6. При этом одновременно муфты сцепления 67 и 68 отключают компрессор 4 от шестерни 69 (которая с помощью сателлитной шестерни 33 находится в зацеплении с шестерней 31) и соединяют вал компрессора 4 с валом стартера 7. Через 5 6 сек. после начала работы компрессора 4 от стартера 7 включается подача сжатого воздуха и горячего газа в камеры 52 и 53, включаются электросвечи 61, и камера сгорания 43 начинает работать, поставляя продукты горения топлива через нижний цилиндрический клапан 42 и камеру 41 в газоводы 44 цилиндрических клапанов 39. Через колено 45 газовода 44 газ под большим давлением поступает в расширительную камеру 9 и, создавая давление на дверцу 25, вызывает вращение ротора 2. При повороте ротора 2 на 45^o цилиндрический клапан 39 перекрывает подачу газа в первую расширительную камеру 9 и начинает подавать газ во вторую расширительную камеру 9 согласно фиг. 7, на которой порядок (последовательность) подачи газа в камеры 9 определен римскими цифрами. Через 3 3 сек. после начала работы ротора 2 стартер 7 выключается, компрессор 4 отключается муфтой сцепления 68 от стартера 7 и подключается муфтой сцепления 67 к валу шестерни 69, и двигатель включается под нагрузку через вал 34, который муфтой сцепления соединяется с валом рабочей машины.

С началом работы камеры сгорания 43 газы через цилиндрический клапан 39 начинают поступать в одну из восьми расширительных камер 9 при произвольном положении дверцы 25 в секторе от 0^o до 45^o удаления оси 24 дверцы от исходного положения, при котором конец дверцы 25 проходит под выступом 18 20 соединения торцевых стенок камеры 9.

В момент подхода первой дверцы 25 к границе конца ее рабочего сектора 45^o, дверца 25 следующей по порядку камеры расширения 9 подойдет отверстием 48 камеры 49 к отверстию 47 газовода 44, из которого газ поступит в камеру 49 и своим давлением на дверцу 25 откроет ее, как только ее тонкий конец пройдет стык 18 20. К этому времени колено 45 газовода 44 подойдет к началу отверстий 46 и 19, и газ начнет поступать под дверцу 25, вращая ее вокруг оси 24. При этом будет вращаться и пластина 26, которая, преодолев сопротивление пружины 27, прижмет ее конец к упорному выступу 29.

Сопротивление пружины 27 подбирается таким, чтобы во время прижима ее к упору 29 момент силы пружины 27, приложенный к пластине 26, уравновешивал момент силы давления газов, приложенных к дверце 25. Таким образом дверца 25 плавно (без удара) остановится в положении, отмеченном пунктиром на фиг. 9б, а равнодействующая сил давления газов на дверцу 25 и пружины на пластину 24 будет приложена к оси 24 по касательной к окружности цилиндрической поверхности ротора 2, в направлении его вращения.

Газы в камеру 9 будут поступать при повороте клапана 39 и ротора 2 на 45^o. В это время давление газов на дверцу 25 будет максимальным и почти неизменным. При дальнейшем движении ротора 2 клапан перекроет отверстия 46 и 19, газы перестанут поступать в камеру 9, а давление газов на дверцу 25 начнет убывать в соответствии с тем, что объем камеры 9 с движением дверцы 25 будет увеличиваться. С уменьшением равнодействующей сил давления на дверцу 25 уменьшится и сила давления пластины 26 на пружину 27, которая повернет пластину 26, а вместе с ней и дверцу 25 на небольшой угол в сторону, противоположную вращению ротора 2.

Газы, находящиеся перед дверцей 25, во время вращения ротора 2 будут выходить из передней части камеры 9 через отверстие 17 в камеру 16 и далее в выхлопную трубу 21, не оказывая существенного торможения давлению дверцы 25. При подходе дверцы 25 к торцевой стенке 18 дверца 25 перекроет отверстие 17 для газов, находящихся перед ней. В результате между передней поверхностью дверцы 25 и стенки 18 создается воздушная прослойка (подушка), исключающая удар дверцы 25 о эту стенку. Дверца закрывается и проходит под стыком 18 20 торцевых стенок стартера 1. Кроме того при подходе дверцы 25 к стенке 18 она проходит под передней границей отверстия 17, и газы начинают выходить из камеры 9 в отверстие 17, а давление газов на дверцу 25 резко снижается.

При движении дверцы 25 под давлением газов небольшая часть газов (менее 1% ) проходит между стенками камеры 9, образованным статором 1 и торцевыми стенками дверцы 25 в зазоры, величина которых не превышает 0,1 мм. В результате этого отсутствует трение между дверцей 25 и стенками статора 1. При этом газы, просачиваясь в зазоры между стенками статора 1 и дверцы 25, обгоняют движение дверцы 25, тем самым не только исключают силы трения, которые могут тормозить движение дверцы 25, но даже создают силу, приложенную к контуру дверцы 25 в направлении ее движения (однако эта сила мала и не имеет существенного значения). В результате отклонения дверцы 25 под действием пружины 27 от положения, при котором тонкий конец дверцы 25 находится на прямой, проходящей через ось 24 и ось вращения ротора 2, расстояние между цилиндрической поверхностью ротора 2 и стенкой 14 уменьшено на малую величину, отображенную на левой верхней части статора 1 на фиг. 2 утолщенной линией. Общая потеря энергии за счет просаживания газов между стенками камеры 9 и дверцей 25 будет менее 1% что в несколько раз меньше потерь энергии на трение, например, поршней о цилиндры в известных д.в.с. К тому же газовая смазка, которой является просачивание газов между дверцей 25 и стенками камеры 9, не требует расхода масла и позволяет работать предлагаемому РДК при более высоких температурах без применения водяного охлаждения, используемого в известных д. в.с. Это свойство РДК весьма существенно, т. к. позволяет не только исключить расход масла, но и повысить КПД и удельную мощность РДК по сравнению с известными двигателями внутреннего сгорания.

В результате давления газов, поступающих в камеру 9, на дверцу 25 движение ротора 2 происходит в одном направлении с постоянной скоростью за счет рабочего хода каждой из восьми дверец 25 за один оборот ротора 2.

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: двигатель состоит из камеры сгорания, работающей в колебательном режиме, и восьми расширительных камер, составленных из стенок двух статоров и двух роторов. 4 з. п. ф-лы, 9 ил.

1. Роторный двигатель, содержащий двухсекционный статор с роторами, образующие камеры расширения и сгорания, системы зажигания и запуска, отличающийся тем, что каждая секция статора выполнена в виде четырех расширительных камер, образованных радиальными стенками, перпендикулярными оси статора, сводчатыми перекрытиями, соединяющими смежные радиальные стенки и плавно переходящими в торцевые стенки расширительных камер, стык начала и конца которых подходит к наружной цилиндрической поверхности ротора, установленного внутри статора, при этом цилиндрическая поверхность ротора образует внутреннюю цилиндрическую поверхность расширительной камеры, на цилиндрической поверхности ротора по его образующей установлена ось вращения с дверцей, перекрывающей поперечное сечение расширительной камеры и являющейся подвижной торцевой стенкой расширительной камеры, в средней части между секциями статора установлен оголовник с камерой сгорания сферической формы и с камерами, концентрически расположенными относительно камеры сгорания, для сжатого воздуха и горючего газа, соединенными с камерой сгорания коническими трубочками, камера сгорания имеет нижний цилиндрический клапан, с помощью которого она соединена с газоводами цилиндрических клапанов, установленных между торцевыми стенками расширительных камер статора, газоводы цилиндрических клапанов соединены с расширительными камерами отверстиями в их передних торцевых стенках, в задних торцевых стенках расширительных камер имеются отверстия, соединяющие их с камерой для выхлопных газов, камера сгорания еще имеет верхний цилиндрический клапан, соединяющий ее с трубкой для выхлопных газов, при этом верхний и нижний цилиндрические клапаны камеры сгорания приводятся в действие от одного электродвигателя со скоростью, зависящей от частоты работы электросвечей зажигания топливной смеси в камере сгорания, на торцевых стенках, общих для двух статоров, установлены оси вращения роторов и оси шестерен, находящихся в зацеплении с шестернями, установленными на осях роторов и на осях цилиндрических клапанов расширительных камер с помощью промежуточных сателлитных шестерен, с шестернями, установленными на осях роторов, находящихся в зацеплении с шестернями электрогенератора и компрессора, компрессор соединен муфтами сцепления со стартером и со своей шестерней. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что каждый в секции статора ротор выполнен в виде нескольких ободов, соединенных между собой цилиндрическим корпусом, в смежных ободах установлена поворотная ось дверцы, с которой соединены у ее концов упорные пластины, при этом во время прохождения дверцы под стыком торцевых стенок камер расширения дверцы и упорные пластины размещаются в цилиндрическом корпусе ротора, а после прохождения стыка торцевых стенок камер расширения дверца перекрывает расширительную камеру, а упорные пластины отклоняют концы пружин, установленных на цилиндрическом корпусе ротора к упорным выступам этого корпуса, под дверцей во время ее отклонения до корпуса ротора образуется камера между корпусом и дверцей с отверстием, которое выходит в расширительную камеру и проходит под отверстием в задней торцевой стенке расширительной камеры и в корпусе цилиндрического клапана, ось дверцы в каждой части корпуса ротора между его ободами установлена со сдвигом на 90^o по отношению к смежным частям корпуса ротора, отделенных друг от друга ободом, при этом оси дверц расширительных камер, последовательно включающихся газоводами цилиндрических клапанов, сдвинуты относительно друг друга на 45^o. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что оголовник выполнен сферической формы с камерой сгорания, установленной в его центральной части и образованной жаропрочным термоинерционным корпусом, отделенным от корпуса оголовника термоизолирующей прокладкой, вокруг камеры сгорания расположены чередующиеся между собой камеры для сжатого воздуха и горючего газа, образованные сферическими поверхностями, концентрическими относительно камеры сгорания, и радиальными поясами, отделяющими камеры со сжатым воздухом от камер с горячим газом, наружная поверхность этих камер выполнена из теплоизолирующего материала, в экваториальной части камеры соединены патрубками соответственно с баллонами для сжатого воздуха и горючего газа, камера сгорания соединена с камерами со сжатым воздухом и горючим газом конусными трубочками, при этом одна конусная трубочка, идущая от камеры с горючим газом, и каждые две конусные трубочки, идущие от двух камер со сжатым воздухом, смежных с камерой с горючим газом, соединяются между собой узкими частями в смесительной микрокамере, которая соединена отверстием с камерой сгорания, в нижней части камеры сгорания установлен нижний цилиндрический клапан с тремя газоводами, соединяющими камеру сгорания с торцами газоводов цилиндрических клапанов расширительных камер, в верхней части камеры сгорания установлен верхний цилиндрический клапан, соединяющий ее с выхлопной трубой, цилиндрические клапаны камеры сгорания приводятся в действие электродвигателем, частота вращения которого определяется компьютером в соответствии с частотой включения электросвечей зажигания топливной смеси. 4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что имеет нижний и верхний цилиндрические клапаны камеры сгорания, выполненные с тремя радиально расположенными газоводами под углом 120^o друг к другу и с осями вращения, параллельными осям вращения роторов, верхний цилиндрический клапан имеет патрубок, соединяющий его с выхлопной трубой, и ось вращения в виде вала, общего с валом ротора электродвигателя, нижний цилиндрический клапан соединяет газоводами камеру сгорания и камеру цилиндрических клапанов расширительных камер, вал вращения нижнего цилиндрического клапана имеет шестерню, находящуюся в зацеплении с шестерней, установленной на валу ротора электродвигателя верхнего цилиндрического клапана. 5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что имеет четыре цилиндрических клапана расширительных камер, установленных на осях вращения, параллельных осям вращения роторов, каждый клапан имеет осевой газовод, соединенный торцом с камерой, расположенной между торцами этих цилиндрических клапанов, и колена осевого газовода, соединяющие его с расширительными камерами через отверстия в корпусе цилиндрического клапана и в торцевой стенке расширительной камеры, при этом смежные колена осевого газовода отходят от него под углом 90^o друг к другу и к осевому газоводу, колена газовода установлены так, что они соединяют осевые газоводы с расширительными камерами в соответствующей последовательности в результате вращения цилиндрических клапанов с помощью двух сателлитных шестерен, имеющих зацепление с шестерней, установленной на оси вращения ротора, при этом цилиндрические клапаны вращаются с той же угловой скоростью, что и ротор, но в противоположном направлении.