РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ КАШЕВАРОВА РДК-16 Российский патент 1998 года по МПК F02B53/00 F02B55/00 F01C1/46 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано при проектировании роторных ДВС, гидравлических роторных двигателей.

Наиболее близким к изобретению является роторный двигатель, содержащий цилиндрический статор с торцевыми стенками, в которых установлен вал вращения с осью, являющейся геометрической осью внутренней грузовой цилиндрической поверхности статора, камеру сгорания и установленный в статоре с образованием камеры расширения и камеры выхлопа цилиндрический ротор (RU, патент 2015375, кл. F 02 B 53/00, 1994).

Недостатками этого двигателя являются ограниченная область применения, низкий КПД.

Задачей изобретения является создание высокоэффективного двигателя с высокими энергетическими показателями, предназначенными для использования в различных областях техники в различных условиях.

Поставленная задача достигается за счет того, что роторный двигатель, содержащий цилиндрический статор с торцевыми стенками, в которых установлен вал вращения с осью, являющейся геометрической осью внутренней круговой цилиндрической поверхности статора, камеру сгорания и установленный в статоре с образованием камеры расширения и камеры выхлопа цилиндрический ротор, снабжен дверцами, шаблонами, дополнительными роторами, установленными на валу, и дополнительными камерами сгорания, причем роторы выполнены в виде эксцентрично соединенных с валом цилиндров, наиболее удаленные от оси вала участки поверхности которых образуют с цилиндрической поверхностью статора зазор, перекрытый двумя пластинчатыми пружинами, установленными на образующей цилиндрической поверхности каждого ротора, каждая камера сгорания расположена на статоре против отверстия, соединяющего камеру сгорания с камерой расширения, образованной поверхностями статора, ротора и дверцы, закрепленной на оси вращения, установленной по образующей цилиндрической поверхности статора, с концом оси вращения дверцы соединен рычаг с возможностью контакта своим роликом с цилиндрической поверхностью шаблона, установленного на валу вращения роторов и имеющего цилиндрическую поверхность, подобную цилиндрической поверхности ротора, при этом каждая дверца установлена с возможностью в каждый момент вращения вала с роторами и шаблоном образования своим краем с цилиндрической поверхностью каждого ротора зазора, перекрытого пластинчатой пружиной, установленной по всему краю дверцы, каждая камера сгорания имеет патрубки ввода в нее кислорода, водорода и пара, установленные коаксиально по ее торцам, электросвечу зажигания и клапаны, управляемые компьютером, каждая камера выхлопа имеет выхлопную трубу отработанного пара, в которой установлены трубочки с радиаторными выступами, одни концы которых соединены с патрубком водяного насоса, а другие - с патрубком паровой камеры, окружающей каждую камеру сгорания и прилегающие к ней поверхности статора, при этом паровая камера соединена патрубком с камерой сгорания, а водяной насос соединен с камерой конденсатора, отделенной от камеры отработанного пара дном с отверстиями для прохода пара, поставляемого в нее выхлопными трубами.

При этом вал выполнен полым, а смежные роторы установлены на валу вращения так, что их радиальные плоскости, проходящие через первую пластинчатую пружину, лежат в одной диаметральной плоскости цилиндрической поверхности статора, каждый ротор имеет камеру, образованную радиальными пластинами и цилиндрическим ободом, с электродатчиком температуры и клапаном выпуска пара высоких параметров в камеру расширения, при этом камера ротора соединена отверстием с отверстием канала полого вала, который в свою очередь соединен с патрубком подачи пара из трубочек, установленных в выхлопных трубах.

Двигатель имеет подпружиненные электродатчики, соединенные с компьютером и установленные на статоре с возможностью подачи одним электродатчиком электросигналов в компьютер в момент касания его дверцей, перекрывающей отверстие камеры сгорания в камеру расширения, другим электродатчиком, установленным у конца паровой камеры, - с возможностью подачи электросигналов в компьютер при касании его пластинчатой пружиной ротора, а также имеет электродатчики температуры пара, установленные в каждой паровой камере у отверстия в патрубок, соединяющий ее с камерой сгорания.

Устройство и работа РДК-16 поясняются чертежами, где на фиг. 1 дано поперечное сечение РДК-16 по А-А на фиг. 5; на фиг. 2 - узел "М" на фиг. 1, увеличенный в 3 раза; на фиг. 3 - продольное сечение двигателя вдоль оси 7; на фиг. 4 - сечение по А-А и по Б-Б на фиг. 3; на фиг. 5 - сечение по В-В на фиг. 1; на фиг. 6 - узел "Н" на фиг. 5, увеличенный в 3 раза; на фиг. 7 - сечение конденсатора, параллельное сечению по А-А на фиг. 5, но в уменьшенном масштабе по сравнению с фиг. 1 и 5; на фиг. 8 - сечение по Г-Г на фиг. 7.

РДК-16 имеет статор 1 и ротор 2 с валом 3, ось вращения которого совпадает с геометрической осью внутренней круговой цилиндрической поверхности статора 1. Вал 3 соединен со втулкой 4 ротора 2, которая соединена радиальными пластинами 5 с цилиндрическим ободом ротора 2. Вал 3 установлен в подшипниках торцевых стенок 6 статора 1. По образующей наружной цилиндрической поверхности статора 1 установлена ось 7 вращения дверцы 8.

Поверхности статора 1, ротора 2 и дверцы 8 образуют камеру 9 расширения (рабочего хода ротора 2) и камеру 10 выхлопа (удаления) отработанных газов. Камера 9 отделена от камеры 10 дверцей 8 с пластинчатой пружиной 11, которая скользит по цилиндрической поверхности ротора 2, и ротором 2 с двумя пластинчатыми пружинами 12, которые скользят по цилиндрической поверхности статора 1.

Камеры 9 и 10 возникают в момент прохода роторной пружиной 12 дверцы 8, перекрывающей отверстие 13 камеры сгорания 14 в камеру 9. Камера сгорания 14 образована цилиндрическими стенками 15 с термоизолирующим жаростойким покрытием 16. Между стенками 15 и 17 расположена теплоизолирующая (паровая) камера 18, в которую сжатый воздух поступает из патрубка 19 с отверстиям 20. Противоположные стенки 15 и 17 камеры 18 соединены перегородками 21, в которых установлен патрубок 22, аналогичный патрубку 19, с отверстиями камеры 18 между перегородками 21. Патрубок 22 имеет клапан 23, перекрывающий выход в камеру 14. К патрубку 19 подсоединены трубочки 24, установленные в выхлопной трубе (камере) 25 отработанного пара, поступающего в нее из камеры 10. Трубочки 24 входят в конец выхлопной трубы 25, противоположный патрубку 19, в котором они подсоединены к патрубку 26 (фиг. 7), идущему от водяного насоса 27, нагнетающего воду в него из баллона 28. Выхлопная труба 25 соединяет камеру 10 с баллоном 28, в котором отработанный пар конденсируется в воду, стекающую по патрубку 30 в баллон 29.

К камере 14 с торцевой ее стороны подведены коаксиально патрубок 31, соединенный с баллоном кислорода, патрубок 32, соединенный с баллоном водорода, и патрубок 22, соединенный с камерой 18, патрубок 31 имеет клапан 33, патрубок 32 - клапан 34, патрубок 22 - клапан 23. У торца патрубка 32 установлена электросвеча 35.

На конце оси 7 дверцы 8 установлен рычаг 36, с дверцей 8 он жестко сцеплен (заштифтован) так, что угол поворота дверцы 8 равен углу поворота рычага 36. На конце рычага 36 установлен ролик 37, контактирующий с цилиндрической поверхностью эксцентрика - шаблона 38, жестко соединенного с валом 3. При этом цилиндрическая поверхность эксцентрика 38 подобна цилиндрической поверхности ротора 2 и в любом положении ротора 2 дверца 8 будет иметь постоянный по величине зазор с цилиндрической поверхностью ротора 2, определяемый контактом ролика 37 с эксцентриком 38. Почти вся нагрузка давления газов на дверцу 8 воспринимается через ось 7 и рычаг 36 давлением ролика 37 на эксцентрик-шаблон 38.

На валу 3 установлены два эксцентрика 38, один для дверец 8, скользящих по цилиндрическим поверхностям роторов 2, обозначенных на фиг. 5 римскими цифрами I и III, и другой - для дверец 8 роторов II и IV. Эксцентрики-шаблоны 38 вращаются в картерной коробке 39, установленной на торцевой стенке статора 1. В нижнюю часть коробки 39 залито масло через ее верхнее отверстие, перекрытое завинченной в него пробкой. Уровень масла в коробке 39 поддерживается таким, чтобы участок поверхности каждого эксцентрика 38, наиболее удаленный от оси вращения (наибольшего радиуса), смазывался маслом, разбрызгивая его при своем вращении, обеспечивая смазку всей цилиндрической поверхности эксцентриков 38 и контактирующих с ними роликов 37. Уровень масла проверяется щупом так же, как и в автомобильных ДВС, или через застекленное отверстие в нижней части коробки 39.

Вал 3 имеет осевой канал 40, подсоединенный к патрубку 19 и имеющий выход через отверстия вала 3 и втулок 4 в камеру 41 роторов, а затем через отверстия, перекрытые клапанами 42, в камеру расширения 9. Клапаны 42 открываются тогда, когда температура в камерах 41 превысит 400^oC, определяемых электродатчиками 43, и роторы 2 пройдут электродатчики 44, установленные на статоре 1. Электродатчики температуры 43 соединены с компьютером проводной связью через каналы 40.

В статоре 1 установлены подпружиненные электродатчики 45 открытия клапанов 23, 33, 34 и включения свечи 35 зажигания в момент касания электродатчика 45 дверцей 8 и закрытия этих клапанов в момент отхода дверцы 8 от датчика 45. При этом электросвеча 35 выключается в момент воспламенения факельного "горения" кислорода с водородом (вернее, их соединение в пары воды с температурой более 2800^oC). С целью снижения температуры, воздействующей на стенки камеры 14, зажженный кислородно-водородный факел отделяется от стенок камеры 14 паровой рубашкой, выходящей из патрубка 22, окружающего патрубок 32, и имеющей температуру 400-500^oC. Так как масса пара, выходящего из патрубка 32, равна или больше массы пара, образовавшегося от соединения кислорода с водородом при температуре 2800^oC, то, смешиваясь в камере 14, эти массы образуют рабочее тело в виде пара с температурой в 1200-1600^oC и давлением в 100-150 кг/см².

Для уменьшения тепловых потерь стенки камер 9, 10, 14 и 18, 25 и дверцы 8 имеют теплоизоляцию, изображенную на чертежах крестообразной штриховкой. Трубочки 24, установленные в трубе (камере) 25, имеют радиаторные выступы 46, способствующие лучшему теплообмену между водой, закачиваемой в трубочки 24, и отработанным паром в трубе 25. Вода в трубочках 24 превращается в пар, поступающий в камеру 18 с температурой более 300^oC и давлением, создаваемым водяным насосом 27, в 100-150 кг/см².

Отработанный пар, отдавший большую часть своего тепла воде и пару в трубочках 24, через трубу 25 поступает в камеру 47 баллона 29 с температурой в 100-150^oC и давлением в 1-0,5 кг/см². Из камеры 47 пар через трубочки 48 дна 49 баллона 28 пузырьками проходит в воду баллона 28 и отдает ей свою тепловую энергию скрытой теплоты парообразования и теплоемкости, увеличивая массу воды и поддерживая ее температуру на уровне 20-50^oC. Излишек воды по патрубку 30 перетекает из баллона 28 в баллон 29. Баллон 29 после его заполнения водой заменяется пустым баллоном 29. Баллон 28 может быть одним - общим для всех труб 25 из камер 10. Торцевое отверстие трубы 25 в камеру 10 перегорожено пластинками 50, установленными в радиальных плоскостях цилиндрической поверхности статора 1, по боковому краю которых, являющемуся продолжением этой поверхности, проходит пружина 12 ротора 2 под торцом трубы 25.

Трубочки 48 имеют покрытие, не смачиваемое водой, и такой диаметр, что вода под действием своей силы тяжести не может пройти в камеру 47, а пар под давлением в 1-0,5 кг/см² проходит через них в воду баллона 28.

Пуск РДК-16 производится по программе "пуск", реализуемой компьютером. По этой программе компьютер включает в работу клапаны 23, 33, 34, электросвечи 35, стартер и водяной насос 27. Тогда в момент поворота ротора 2, при котором дверца 8 коснется электродатчика 45, отроются клапаны 23, 33 и 34 и одновременно сработает электросвеча 35, воспламеняющая факел "горения" кислородной струи, выходящей из торца патрубка 31, установленного в конце патрубка 32, в водородной струе, окружающей струю кислорода. Горение, подобное вышеупомянутому, производится, например, во время автогенной сварки и резки металлов, а также для плавления кварца, платины и других металлов, при этом образуется факел пламени с температурой в 2800^oC. Для безвзрывного сжигания применяется специальная горелка (БСЭ, второе издание, т. 12, стр. 501, 502), в которой исключается возможность предварительного смешивания водорода с кислородом во взрывной гремучий газ. Принцип устройства такой горелки заимствован в РДК-16.

Горение факела в камере 14 с температурой 2800^oC разогревает стенки камеры 14 и камеры 18, а затем после открытия дверцей 8 отверстие 13, в результате вращения ротора 2 горячие газы, произведя работу в камере 9 по вращению ротора 2, с высокой температурой входят в выхлопную трубу 25 и отдают в ней большую часть своей тепловой энергии через радиаторные выступы 46 воде, находящейся в трубочках 24. При этом вода превращается в пар, который поступает в камеру 18, и затем, при последующих циклах работы камеры 14, в патрубок 22, создавая паровую рубашку, уменьшающую температуру паровой смеси и ее температурное воздействие на стенки камеры 14, увеличивая давление и объем паровой смеси, выходящей из камеры 14 в камеру 9. С этого момента времени, через секунду после момента пуска РДЕ-16, начинается работа РДК-16 в установившемся - эксплуатационном режиме. По этому режиму, уже изложенному в описании устройства РДК-16, вращение его вала 3 можно использовать для приведения в действие движителя лунохода или устройства, выполняющих иную механическую работу.

Описанные усовершенствования позволяют значительно (до 70%) повысить КПД двигателя и обеспечивают расширение сферы его применения.

Например, РДК-16 может быть использован в космонавтике, в том числе для работы на Луне.

Освоение Луны не может быть произведено без применения портативного с большой удельной мощностью двигателя, работающего в ночное время лунных суток на энергии топлива, получаемого на Луне. В качестве такого двигателя и предлагается РДК-16.

Топливом для РДК-16 может служить водород и кислород, получаемый электролизом воды в дневное время лунных суток с помощью электричества, вырабатываемого солнечными батареями. При работе РДК-16 водород и кислород в камере сгорания соединяются в молекулы воды в виде пара, используемого в камере расширения РДК-16 для вращения его ротора, а затем конденсирующегося в воду в конденсаторе с заполнением баллона для ее электролиза в дневное время лунных суток. В результате такого цикла работы солнечных батарей и РДК-16 соответственно в дневное и ночное время суток не происходит расхода заданного объема воды, которая выполняет роль аккумулятора энергии.

Использование для переноса энергии из дневного времени в ночное электрических аккумуляторов нецелесообразно, так как они имеют меньший КПД, меньшую удельную емкость энергии, меньший срок службы, во много раз большую стоимость кВт-ч аккумулируемой энергии, во много раз большую стоимость их доставки с Земли на Луну.

РДК-16 может быть снабжен устройством, обеспечивающим его работу практически без расхода воды с замкнутым циклом ее движения и преобразования. В РДК-16 и солнечных батареях в течение лунных суток вода преобразуется в водород и кислород с использованием солнечной энергии солнечными батареями, а затем водород и кислород вновь образуют воду в РДК-16 с получением энергии, необходимой в ночное время лунных суток.

РДК-16 предназначается как для стационарных установок различного назначения, так и для лунохода - механического средства передвижения по лунной поверхности.

Двигатель предназначен для использования в качестве механического привода. В цилиндрическом статоре на общем валу эксцентрично установлены цилиндрические роторы с образованием камер расширения и камер выхлопа и эксцентрики-шаблоны, с цилиндрическими поверхностями которых контактируют ролики рычагов, соединенных с концами осей вращения дверец, расположенных по образующей поверхности статора. При этом каждая дверца установлена с возможностью в каждый момент вращения вала с роторами и шаблонами образования своим краем с цилиндрической поверхностью каждого ротора зазора, перекрытого пластинчатой пружиной, установленной по всему краю дверцы, каждая камера сгорания имеет патрубки ввода в нее кислорода, водорода и пара, установленные коаксиально по ее торцам, электросвечу зажигания и клапаны, управляемые компьютером, каждая камера выхлопа имеет выхлопную трубу отработанного пара, в которой установлены трубочки с радиаторными выступами, одни концы которых соединены с патрубком водяного насоса, а другие - с патрубком паровой камеры, окружающей каждую камеру сгорания и прилегающие к ней поверхности статора. Контроль за параметрами осуществляют электродатчики, связанные с компьютером. Изобретение обеспечивает повышение КПД и расширение области применения. 2 з.п.ф-лы., 8 ил.

1. Роторный двигатель, содержащий цилиндрический статор с торцевыми стенками, в которых установлен вал вращения с осью, являющейся геометрической осью внутренней круговой цилиндрической поверхности статора, камеру сгорания и установленный в статоре с образованием камеры расширения и камеры выхлопа цилиндрический ротор, отличающийся тем, что снабжен дверцами, шаблонами, дополнительными роторами, установленными на валу, и дополнительными камерами сгорания, причем роторы выполнены в виде эксцентрично соединенных с валом цилиндров, наиболее удаленные от оси вала участки поверхности которых образуют с цилиндрической поверхностью статора зазор, перекрытый двумя пластинчатыми пружинами, установленными на образующей цилиндрической поверхности каждого ротора, каждая камера сгорания расположена на статоре против отверстия, соединяющего камеру сгорания с камерой расширения, образованной поверхностями статора, ротора и дверцы, закрепленной на оси вращения, установленной по образующей цилиндрической поверхности статора, с концом оси вращения дверцы соединен рычаг с возможностью контакта своим роликом с цилиндрической поверхностью шаблона, установленного на валу вращения роторов и имеющего цилиндрическую поверхность, подобную цилиндрической поверхности ротора, при этом каждая дверца установлена с возможностью в каждый момент вращения вала с роторами и шаблоном образования своим краем с цилиндрической поверхностью каждого ротора зазора, перекрытого пластинчатой пружиной, установленной по всему краю дверцы, каждая камера сгорания имеет патрубки ввода в нее кислорода, водорода и пара, установленные коаксиально по ее торцам, электросвечу зажигания и клапаны, управляемые компьютером, каждая камера выхлопа имеет выхлопную трубу отработанного пара, в которой установлены трубочки с радиаторными выступами, одни концы которых соединены с патрубком водяного насоса, а другие - с патрубком паровой камеры, окружающей каждую камеру сгорания и прилегающие к ней поверхности статора, при этом паровая камера соединена патрубком с камерой сгорания, а водяной насос соединен с камерой конденсатора, отделенной от камеры отработанного пара дном с отверстиями для прохода пара, поставляемого в нее выхлопными трубами. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что вал выполнен полым, а смежные роторы установлены на валу вращения так, что их радиальные плоскости, проходящие через первую пластинчатую пружину, лежат в одной диаметральной плоскости цилиндрической поверхности статора, каждый ротор имеет камеру, образованную радиальными пластинами и цилиндрическим ободом, с электродатчиком температуры и клапаном выпуска пара высоких параметров в камеру расширения, при этом камера ротора соединена отверстием с отверстием канала полого вала, который в свою очередь соединен с патрубком подачи пара из трубочек, установленных в выхлопных трубах. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что имеет подпружиненные электродатчики, соединенные с компьютером и установленные на статоре с возможностью подачи одним электродатчиком электросигналов в компьютер в момент касания его дверцей, перекрывающей отверстие камеры сгорания в камеру расширения, другим электродатчиком, установленным у конца паровой камеры, - с возможностью подачи электросигналов в компьютер при касании его пластинчатой пружиной ротора, а также имеет электродатчики температуры пара, установленные в каждой паровой камере у отверстия в патрубок, соединяющий ее с камерой сгорания.