ТЕПЛОВОЙ РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК F02G1/04 F01C1/344 

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства, изготавливающих и использующих двигатели как внутреннего, так и внешнего сгорания.

Известен роторный двигатель внутреннего сгорания [1], содержащий неподвижный корпус с профилированной рабочей камерой, выходной вал с цилиндрическим ротором, в радиальных пазах которого установлены разделительные полые лопатки, с расположенной внутри камерой высокого давления, связанной входным отверстием с обратным клапаном, расположенным в передней по направлению вращения стенке, с полостью всасывания, а перекрываемым впускным отверстием в задней по направлению вращения стенке - с полостью камеры сгорания для осуществления сжатия смеси в камере высокого давления и подачи сжатой смеси в камеру сгорания. Впускное отверстие выполнено с возможностью его перекрытия кромкой ротора.

К недостаткам двигателя относятся:
- малый срок службы вследствие повышенного износа лопаток ротора и корпуса при работе на загрязненной рабочей среде;
- большое содержание CO в продуктах сгорания и загрязнения окружающей среды;
- сложность конструкции.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является тепловой роторный двигатель внешнего сгорания [2], содержащий неподвижный корпус с профилированными рабочими камерами. На выходном валу установлен цилиндрический ротор, в радиальных пазах которого размещены разделительные лопатки с расположенными внутри сквозными каналами для уравнивания давления воздуха в подлопаточных пространствах и прижимаются к корпусу пружинами. В корпусе расположена камера нагрева и охлаждающая полость, по которой протекает охлаждающая жидкость. В полости диаметрально противоположно установлены два охлаждающих элемента (например, холодильники). Камера нагрева содержит нагревательный элемент (например, форсунку). Рабочие камеры образованы между радиальными выступами корпуса, ротором и корпусом. Разделительные лопатки покрыты слоем твердой смазки (например, графитодисульфидмолибденовой композиции).

К недостаткам прототипа относятся:
- отсутствие регенератора, вследствие чего будет большая потеря тепла и уменьшение скорости теплопередачи;
- небольшая площадь поверхности теплопередачи, вследствие чего невозможно использование максимального количества теплоты сгорания и, как следствие, высокая температура отработанных газов на выходе из двигателя;
- повышенный износ лопаток и внутренней поверхности корпуса вследствие трения скольжения между корпусом и разделительными лопатками.

К задачам, которые поставил перед собой автор при создании изобретения, относятся:
- повышение эффективности работы двигателя за счет уменьшения потерь тепла и увеличения скорости теплопередачи от нагревательного элемента к рабочему телу;
- увеличение площади поверхности теплопередачи и более полного использования теплоты сгорания и, как следствие, снижение температуры отработанных газов;
- уменьшение износа внутренней поверхности корпуса и разделительных лопаток.

Указанная цель достигается за счет того, что в роторном двигателе, содержащем корпус с профилированными рабочими камерами, охлаждающей полостью, камерой нагрева, в которой расположен нагревательный элемент, два противоположно расположенных холодильника, установленный на валу ротор, в пазах которого установлены разделительные лопатки, один из холодильников имеет отводы, входящие в камеру нагрева, разделенную на несколько частей перегородками, а ротор снабжен уплотнениями, закрепленными на его торцах. При этом отводы выполнены расширяющимися книзу и имеют в поперечном сечении форму линзы. Кроме того, уплотнения выполнены таким образом, что подлопаточные и подкрышечные пространства сообщаются между собой. Причем разделительные лопатки имеют желоба, в которых расположены цилиндры.

За счет того, что входящие в камеру нагрева отводы одного из холодильников расширяются книзу и имеют внутри сепарации, резко увеличивается площадь поверхности теплопередачи, скорость теплопередачи, наиболее полно используется теплота сгорания и, следовательно, уменьшается температура отработанных газов.

Расширяющиеся книзу отводы в поперечном сечении имеют форму линзы, что способствует идеальному обтеканию отводов горячими газами и, следовательно, улучшает теплообмен между рабочим телом и горячими газами.

Камера нагрева разделена на несколько частей перегородками, что удлиняет путь прохождения горячих газов и увеличивает время теплообмена между рабочим телом и горячими газами, что также увеличивает количество использованного тепла и снижает температуру отработанных газов.

Закрепленные на торцах ротора уплотнения препятствуют перетеканию рабочего тела из камеры повышенного давления в камеру пониженного давления, следовательно, они способствуют увеличению перепада давлений между рабочими камерами.

За счет того, что разделительные лопатки имеют желоба, в которых размещены цилиндры, увеличивается срок службы двигателя, так как трение скольжения лопаток по внутренней поверхности корпуса заменяется на трение качения.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами где фиг.1 - роторный двигатель, поперечный разрез, фиг.2 - роторный двигатель, продольный разрез по линии А-А, фиг.3 - разрез двигателя по линии Б-Б, поясняющий устройство камеры нагрева.

Тепловой роторный двигатель содержит неподвижный корпус 1 (фиг.1) с профилированными рабочими камерами 2 и 3, цилиндрический ротор 4, оканчивающийся выходными концами вала 5 и 6 (фиг.2) и в радиальных пазах 7 и 8 которого размещены разделительные лопатки 9 и 10. Пружины 11 и 12 поджимают к корпусу 1 разделительные лопатки 9, 10, на внешних концах которых имеются желоба. В желобах расположены цилиндры 13, 14, которые предназначены для уменьшения трения между лопатками 9, 10 и внутренней поверхностью корпуса 1, а также они выполняют роль уплотнений. Трущиеся поверхности разделительных лопаток покрыты слоем твердой смазки.

В корпусе 1 расположены камера нагрева, разделенная на две части 15 и 16 перегородкой 17, (фиг.1, 3) и охлаждающая полость 18, по которой протекает охлаждающая жидкость и в которой расположены теплообменники (холодильники) 19 и 20, которые сообщены с рабочими камерами 2,3 через каналы 21, 22, 23.

От холодильника 20 идут отводы 24 и 25 через верхнюю стенку 26 камеры нагрева 15, 16. В камере нагрева 15, 16 отводы 24, 25 расширяются книзу и монтируются в каналах 27 и 28 корпуса 1, их расширительные (они же нагревательные) части 2a (фрагменты 2a, 2b, 2c на фиг.2) в поперечном сечении имеют форму линзы 2c и внутри имеют сепарацию 2b. В дальнейшем расширительные части отводов будем называть соплами. В нагревательную камеру 15 вмонтировано нагревательное устройство 29 (например, форсунка).

Корпус 1 и ротор 4 с торцов закрыты крышками 30 и 31 (фиг.2,3), в которых расположены подшипники 32,33, закрытые крышками 34 и 35. Уплотнение между валами 5, 6 и крышками 30, 31 достигается за счет сильфонных самопритирающихся уплотнений 36 и 37 (фиг.2). Торцовые уплотнения ротора 4 достигаются дисками 38 и 39, которые устанавливаются на его торцах и вращаются вместе с ним. Торцовое уплотнение между корпусом 1 и дисками 38 и 39 достигается лабиринтами 40 и 41. Диски 38 и 39 изготавливаются таких размеров, чтобы не перекрывались подлопаточные пространства 42 и 43, в которых расположены пружины 11, 12 и которые сообщались бы с подкрышечными пространствами 44, 45, в результате чего отпадает необходимость делать в лопатках 9, 10 декомпрессионные каналы. На фиг.1 пунктиром обозначены пазы 7, 8 и лопатки 9, 10 в положении ротора повернутом на 90^o.

Роторный двигатель работает следующим образом.

На крышке 31 смонтирована форсунка 29 с насосом и воздуходувкой (на чертежах не указаны). Насос под давлением подает топливо в форсунку, которая его распыляет в камере нагрева 15. Воздуходувка подает воздух из атмосферы в камеру нагрева и перемешивает его с топливом. Смесь поджигается от искры.

Двигатель работает по замкнутому циклу и в нем постоянно находится газ (рабочее тело) под давлением. Давление рабочего тела определяется прочностью деталей двигателя. Таким образом, в рабочих камерах 2 и 3, подлопаточных пространствах 42 и 43, холодильниках 19 и 20, подкрышечных пространствах 44 и 45 будет находиться рабочее тело под давлением, от которого будет зависеть плотность рабочего тела, а следовательно, и его теплоемкость.

Во время нагрева форсунки 29 сопла 2a находящиеся в них сепарации 2b и стенка между камерами нагрева 15, 16 и рабочей камерой 2 нагреваются до высокой температуры, зависящей от жаропрочности материала.

Предварительно двигатель вращается от постороннего источника энергии (стартера). Рабочее тело вытесняется лопаткой 9 или 10 из камеры 2 через холодильник 19 в камеру 3. Из камеры 3 через холодильник 20, отводы 24 и 25 проходит раскаленные сопла 2a и сепарации 2b, резко нагревается, увеличивается в своем объеме и через каналы 27, 28 входит в камеру 2 и увеличивает в ней давление. Через стенку между камерами 15, 16 и рабочей камерой 2 газ дополнительно нагревается, еще более увеличиваясь в объеме. Давление рабочего тела в камере 2 воздействует на разделительную лопатку 10 (когда она пройдет каналы 27, 28) и заставляет вращаться ротор по часовой стрелке. После этого стартер отключается.

Рабочее тело, вытесняясь разделительной лопаткой из камеры 2 в камеру 3, охлаждаясь в холодильнике 19, уменьшается в своем объеме. Проходя камеру 3, рабочее тело дополнительно охлаждается через стенку между охлаждающей полостью 18 и камерой 3 и вновь уменьшается в объеме. Проходя холодильник 20, рабочее тело еще раз охлаждается, уменьшаясь в объеме.

Таким образом, рабочее тело, проходя от канала 23 до сопла 2b, постоянно охлаждаясь, постепенно уменьшается в объеме, а следовательно, постепенно уменьшается и его давление. Значит давление в камере 2 до разделительной лопатки всегда будет больше, чем в камере 2 за разделительной лопаткой и в камере 3 до и после разделительной лопатки и ротор 4 будет вращаться.

Разница давлений в рабочих камерах прямо пропорциональна разнице температур между нагревом и охлаждением рабочего тела.

За счет сил инерции рабочее тело, перед тем как направится в канал 21, будет ударять под выступ 46 корпуса 1, под которым будет создавать зону повышенного давления. Таким образом, оно будет препятствовать собственному перетеканию из камеры 2 в камеру 3 по телу ротора 4 под выступом 46. Под выступом 47 корпуса 1 будет иметь место перетекание некоторого количества рабочего тела, но значительного влияния на работу двигателя иметь не будет и им можно пренебречь. Остальные уплотнения достаточно полно показаны в описании устройства двигателя.

Источники информации, использованные при составлении заявки
1. Патент СССР N 1565352, МКИ F 02 B 53/100, оп. 15.05.90 г. Бюл. N 18.

2. Патент РФ N 2023888, МКИ F O1 C 1/344, оп. 30.11.94 г. Бюл. N 22.

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: двигатель содержит неподвижный корпус 1 с профилированными рабочими камерами 2 и 3, цилиндрический ротор 4, в радиальных пазах 7 и 8 которого размещены разделительные лопатки 9 и 10, прижимающиеся к корпусу 1 пружинами 11 и 12. В корпусе 1 расположены камера нагрева 15, 16 и охлаждающая полость 18, в которой расположены холодильники 19 и 20, которые сообщены с рабочими камерами 2 и 3 через каналы 21, 22, 32. В нагревательную камеру 15 вмонтирована форсунка. 3 з.п. ф-лы. 3 ил.

1. Тепловой роторный двигатель, содержащий корпус с профилированными камерами, охлаждающей полостью, камерой нагрева, в которой расположены нагревательный элемент, два противоположно расположенных холодильника, установленный на валу ротор, в пазах которого установлены разделительные лопатки, отличающийся тем, что один из холодильников имеет отводы, входящие в камеру нагрева, разделенную на несколько частей перегородками, а ротор снабжен уплотнениями, закрепленными на его торцах. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что отводы выполнены расширяющимися книзу и имеют в поперечном сечении форму линзы, а внутри сепарации. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что уплотнения выполнены таким образом, что подлопаточные и подкрышечные пространства сообщаются между собой. 4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что разделительные лопатки имеют желобы, в которых размещены цилиндры.