ГАЗОВЫЙ МОТОР КАШЕВАРОВА ГМК Российский патент 1997 года по МПК F04C5/00 F01C5/04 

Изобретение относится к энергомашиностроению и касается усовершенствования роторных моторов с упругодеформируемыми стенками рабочих камер, работающих как тепловые двигатели и могущих быть использованными взамен паровых и газовых турбин тепловых электростанций.

Hаиболее близким к изобретению является газовый мотор, содержащий статор с окнами подвода и отвода рабочей среды и эксцентрично установленный в статоре с образованием расширительной камеры полый цилиндрический ротор с радиальным пазом и размещенной в нем направляющей заслонкой [1] Однако этот мотор имеет низкий КПД и малую удельную мощность, т.к. в его рабочей камере между двумя смежными лопостями сжатый газ, поступивший из впускного окна при вращении ротора, переносится до выпускного окна и, не произведя работу, выпускается, к тому же рабочий ход каждой лопасти мал и ограничен дугой менее 70^o, проходя которую лопасть имеет с одной стороны давления газов больше, чем с другой стороны. Мал также и объем рабочей полости по сравнению с объемом и массой всего роторного мотора. Задачей изобретения является повышение КПД и удельной мощности.

Поставленная задача решается за счет наличия нескольких статоров с роторами, золотникового управляющего клапана и камер для отработанной рабочей среды; кроме того, усовершенствована система газораспределения и кинематические связи клапана и ротора. Устройство и работа ГМК поясняется чертежами, где: на фиг. 1 представлен вид сверху ГМК с электрогенератором; на фиг. 2 сечение А А на фиг. 1 с увеличением в 8 раз по сравнению с фиг. 1; на фиг. 3 сечение Б Б на фиг. 1 с увеличением в 2 раза по сравнению с фиг. 1; на фиг. 4 узел "Д" на фиг. 2 с увеличением в 3 раза; на фиг. 5 размеры окон 20, 21 и 27 в масштабе фиг. 2 и 6; на фиг. 6 сечение В В на фиг. 2; на фиг. 7 узлы М, H, О и П на фиг. 6 с увеличением в 3 раза.

ГМК имеет четыре статора 1 с четырьмя роторами 2, цилиндрический клапан 3, расширительные камеры 4, заслонку 5, камеры 6 отработанного пара.

Статор 1 с ротором 2 образуют несколько расширительных камер 4. В качестве примера далее описан мотор, имеющий пять расширительных камер 4. Камеры 4 отделены друг от друга радиальными стенками 7, между которыми расположена узкая камера 8 с тонкостенной шайбой 9, жестко соединенной с дисками и ободами 10 ротора 2. Радиальные стенки 7 соединены между собой общими цилиндрическим корпусом 11.

Ротор 2 образован цилиндрическим корпусом 12 с дисками, ободами 10 и полуосями 13 его вращения, жестко соединенными с торцевыми стенками 14 ротора. Полуоси 13 ротора 2 установлены в торцевых стенках 15 статора 1.

Цилиндрическая поверхность корпуса 12 и заслонка 5 ротора 2 образуют подвижную часть расширительной камеры 4, радиальные стенки 7 и внутренняя поверхность статора 1 образует неподвижную часть расширительных камер 4. Заслонка 5 установлена в направляющих 16, в которых она может перемещаться вдоль диаметральной плоскости цилиндрического корпуса 12 ротора 2, перекрывая с небольшим воздушным зазором расширительную камеру 4. Hаправляющие 16 жестко соединены /сварены/ с цилиндрическим корпусом 12 ротора 2 и дисками ободов 10. Hа краях заслонки 5 установлены ролики 17, катящиеся при вращении ротора 2 по внутренней поверхности статора 1 и обеспечивающие постоянство воздушного зазора менее 1 мм между краем заслонки 5 внутренней поверхностью статора 1. Малый воздушный зазор /менее 1 мм/ между направляющими 16 и заслонкой 5 обеспечивают опорные ролики 18, установленные на концах направляющих 16. В пяти смежных камерах 4 заслонки 5 перемещаются под углом 72^o друг к другу, под которыми установлены смежные направляющие 16 в корпусе ротора 2 между ободами 10.

Цилиндрический клапан 3 образован трубой 19, вращающийся в корпусе клапана 3, выполненном в виде трубы, жестко соединенной с корпусами 11 четырех статоров 1. Труба 19 имеет окна 20 /фиг. 5/ в виде вырезов по образующей цилиндрической поверхности трубы, равных ширине расширительных камер 4, и по дуге окружности с центральным углом 36-45^o. Против каждой камеры 4 на окружности трубы 19 образовано одно окно 20, которое совмещается один раз за один оборот трубы 19 с окном 21 в корпусе 11 статора 1 и корпусе клапана 3 в расширительную камеру 4. Биссектрисы углов пяти окон 21 /фиг. 5/ для камер расширения 4 каждого статора 1 расположены под углом 72^o относительно смежной камеры 4, при этом биссектрисы окон 21 для одного статора 1 смещены относительно окон 21 для другого статора на 90^o. В результате при повороте трубы 19 на каждые 18^o ее окна 20 будут сообщаться один раз за один оборот трубы 19 с окнами 21 статоров 1 согласно таблицы в следующем порядке подачи пара в камеры 4 из трубы 19.

Hомера камер 4 статора 1 обозначены римскими цифрами на фиг. 6.

Труба 19 вращается с помощью шестерни 22, установленной на ее оси 23 и находящейся в зацеплении с шестернями 24, установленными на полуосях 13 четырех роторов 2. Противоположный конец трубы 19 установлен в четырех роликовых подшипниках 25 на взаимноперпендикулярных диаметрах корпуса паропровода 7 с небольшим зазором от источника пара. При этом корпус парового клапана 3 герметично соединен с трубой паропровода 26.

Подшипник 25 и ось 23 обеспечивают вращение трубы 19 в корпусе клапана 3 с воздушным зазором менее 1 мм. Шестерня 22 трубы 19 имеет диаметр в 2 раза меньший, чем диаметр шестерен 24, в результате чего труба 19 вращается с вдвое большей угловой скоростью, чем 2, и в противоположном направлении по отношению к направлению вращения роторов 2.

Отработанный пар из камеры 4 выходит через окна 27 в корпусе статора 1 в камеру 6 и далее через трубу 28 в конденсатор /условно не показан/.

Окна 21 и 27 статора 1 имеют разделяющий их пополам рельс 29 /фиг. 5/, предназначенный для прокатки по нему роликов 17 /фиг. 2, 4,6 и 7/. Край 30 заслонки 5, на котором установлен ролик 17, имеет радиус скругления, равный радиусу ролика 17. Поверхность качения ролика 17 выступает над поверхностью края 30 заслонки 5 на величину зазора между этой поверхностью 30 и внутренней поверхностью камеры 4, образованной цилиндрическим корпусом 12 статора 1. Ролик 17 представляет собой роликовый подшипник качения, установленный на оси 31, жестко соединенной с заслонкой 5. Воздушный зазор между боковым краем 32 /фиг. 7/ заслонки 5 и радиальной стенкой 7 обеспечивают ролики 33, установленные в корпусе 12 ротора 2 против края 32 заслонки 5. Роликовые подшипники 17, 18, 25 и 33 имеют одинаковое устройство и отличаются от друг друга размерами и нагрузкой, которую они испытывают при движении заслонки 5 и вращении трубы 19.

Ось 23 трубы 19 является одновременно осью вращения ротора электрогенератора 34.

Газовый мотор работает следующим образом.

Пуск ГМК производится подачей пара /газа/ высоких параметров в трубу 19 клапана 3. Из трубы 19 через окно 20, совмещенное с окном 21 расширительной камеры 4, пар /газ/ поступает в камеру 4 и создает давление на заслонку 5. Под воздействием этого давления заслонка 5 начнет перемещаться в камере 4 и вращать ротор 2, который через шестерню 24, находящуюся в зацеплении с шестерней 22 трубы 19, повернет трубу 19 и она при своем вращении будет совмещаться с окнами расширительных камер 4 в соответствии с табл.

Порция пара, поступившая в камеру 4 при совмещенном положении окон 20 и 21, создает давление на заслонку 5 и под воздействием этого давления заслонка 5 повернет ротор 2 в направлении, указанном стрелкой на фиг. 2. При этом ролик 17 противоположного края заслонки прокатится по рельсу 29 и выдвинет заслонку 5 в широкую часть камеры 4. Пар будет производить работу за счет расширения и уменьшения своего давления и температуры. Отработанный пар будет выходить из камеры 4 в камеру 6 через отверстие 27.

После поворота ротора на 180^o ролик 17 противоположного конца заслонки 5 докатится до рельса 29 окна 21, а окно 20 трубы 19, совершив поворот на 360^o, совместится с окном 21 и под высоким давлением новая порция пара поступит в начало камеры 4 и создаст давление на заслонку 5 с повторением следующего рабочего хода заслонки 5. От момента заполнения паром начального объем камеры 4, который заканчивается поворотом окна 20 трубы 19 на 36^o и поворотом ротора 2 на 18^o, с момента начала поступления порции пара из трубы 19 в камеру 4 до момента прохода ролика 17 на рельс 29 окна 27, порция пара расширится в несколько десятков раз и ее давление снизится до 2 - 3 кг/см², а температура до 150 200^o. Таким образом потенциальная энергия давления пара будет преобразована в механическую энергию вращения ротора 2.

Во время движения заслонки 5 в зазор между ее краями и поверхностью камеры 4 происходит проход менее 1% пара в обгон заслонки 5, что полностью исключает трение заслонки 5 о стенки 7. Проход пара из одной камеры 4 в другую, ей смежную, не имеет существенного значения благодаря тонкостенной шайбе 9, которая прижимается к одной из стенок камеры 8 тем больше, чем больше разность давлений пара в смежных камерах 4. Проход пара в зазор между направляющими 16 и заслонкой 5 также не имеет существенного значения, т.к. зазор мал /доли миллиметра/, длина направляющих несколько сотен мм. По этой же причине проход пара в зазор между цилиндрическими поверхностями ротора 2 и статора 1 на протяжении 1/4 окружности и против направления вращения ротора 2 не имеет существенного значения. В то же время упомянутые зазоры, заполненные паром, исключают затраты механической энергии на трение и износ соответствующих деталей ГМК. Утечка через все зазоры ГМК менее 1% пара составит в несколько раз меньшие потери на трение, чем, например, в известных двигателях, использующих для смазки машинное масло.

Hаружные поверхности корпуса 11 имеют теплоизоляцию, существенно снижающую тепловые потери ГМК. Для уменьшения механических нагрузок на корпус 12 ротора 2 внутри корпуса 12 создается давление, равное половине величины давления пара, поступающего в камеру 4 из трубы 19. Это давление пара /газа/ уменьшает также зазор между направляющими 16 и заслонкой 5.

КПД предлагаемого ГМК будет существенно выше паровой турбины за счет в два раза меньших потерь на одно преобразование энергии давления пара /газа/ в кинетическую энергию вращения ротора ГМХ по сравнению с двумя преобразованиями энергии давления пара /газа/ в кинетическую энергию движения пара и кинетической энергии движения пара в кинетическую энергию вращения ротора паровой турбины.

Использование: в энергомашиностроении при проектировании роторных моторов с упругодеформируемыми стенками рабочих камер. Сущность изобретения: мотор содержит несколько статоров с роторами, золотниковый управляющий клапан и камеры для отработанной рабочей среды (пара или глаза), установленные между статорами. Усовершенствована система газораспределения расширительных камер для отработанного пара и кинематические связи между роторами и паровым клапаном, усовершенствован и сам паровой клапан. 6 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

1. Газовый мотор, содержащий статор с окнами подвода и отвода пара и эксцентрично установленный в статоре с образованием расширительной камеры полый цилиндрический ротор с радиальным пазом и размещенной в нем направляющей заслонкой, отличающийся тем, что он снабжен не менее чем двумя дополнительными статорами с роторами, золотниковым управляющим клапаном и камерами для отработанного пара, установленными между статорами, последние жестко соединены с охватывающим их корпусом, роторы снабжены направляющими для заслонок, клапан установлен между статорами с возможностью периодического сообщения их расширительных камер с источником пара через окна в корпусе клапана и в его трубе, установленной с возможностью вращения внутри его корпуса, причем каждая расширительная камера соединена окном с камерой для отработанного пара, установленной между статорами, ось вращения ротора соединена с осью вращения трубы парового клапана с помощью шестерен, установленных на их осях и находящихся во взаимном зацеплении, при этом шестерня, установленная на оси вращения трубы парового клапана, имеет диаметр, в два раза меньший, чем у шестерни, установленной на оси ротора. 2. Мотор по п.1, отличающийся тем, что статоры имеют цилиндрическую форму с геометрическими осями, параллельными одна другой, а также роторам, паровому клапану и камерам отработанного пара, каждый статор имеет радиальные стенки, в которых образованы щелевидные камеры с тонкостенными шайбами, жестко связанными с цилиндрическим корпусом ротора. 3. Мотор по п.1, отличающийся тем, что ротор имеет ободы, соединенные с цилиндрическим корпусом ротора и с дисками, между которыми установлены направляющие заслонки с роликами, при этом направляющие заслонки жестко соединены с цилиндрическим корпусом ротора, с ободами и с его дисками, тонкостенные шайбы, жестко соединенные с цилиндрической поверхностью ротора и установленные в круговых щелевидных камерах радиальных стенок статора, полуоси вращения ротора, установленные в торцевых стенках статора, при этом на одной полуоси установлена шестерня, находящаяся в зацеплении с шестерней трубы парового клапана. 4. Мотор по п.1, отличающийся тем, что расширительная камера образована неподвижными радиальными стенками, цилиндрической поверхностью статора, подвижной заслонкой и цилиндрической поверхностью ротора и имеет в начале окно в статоре, периодически совмещающееся с окном вращающейся трубы парового клапана, и в конце окно в статоре, соединяющее расширительную камеру с камерой отработанного пара, при этом по середине окон проходит рельс для проката ролика заслонки. 5. Мотор по п.1, отличающийся тем, что заслонка проходит по диаметральному сечению ротора, по ширине, равной ширине расширительной камеры с учетом зазоров между радиальными стенками статора и краями заслонки, при этом зазоры фиксируются роликами, установленными в направляющих ротора с возможностью прокатывания по ним заслонки, на торцах последней установлены ролики с возможностью прокатывания по внутренней цилиндрической поверхности статора и фиксации величины зазора между этой поверхностью и торцом заслонки. 6. Мотор по п.1, отличающийся тем, что паровой клапан имеет цилиндрической корпус с окнами, совмещенными с окнами статоров в расширительные камеры, в корпусе парового клапана установлена с воздушным зазором вращающаяся труба с окнами, совмещающимися с окнами в расширительные камеры поочередно, один конец вращающейся трубы имеет торец с осью вращения, установленной в торцевой стенке парового клапана, на которой закреплена шестерня, находящаяся в зацеплении с всеми шестернями роторов, противоположный конец вращающейся трубы установлен в роликовых подшипниках, фиксирующих зазор между этой трубой и трубой корпуса парового клапана, при этом корпус парового клапана герметично соединен с паропроводной трубой, идущей от источника пара высоких параметров. 7. Мотор по п.1, отличающийся тем, что камера отработанного пара установлена между корпусами смежных статоров и имеет окна, соединяющие ее с расширительными камерами, при этом камера отработанного пара соединена с трубой, идущей к конденсатору, со стороны подвода паропровода высоких параметров пара.