ДВИГАТЕЛЬ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ "РОТОРНЫЙ СТИРЛИНГ" Российский патент 1999 года по МПК F02G1/04 

Изобретение относится к двигателестроению.

Двигатель "Роторный Стирлинг" (ДРС) относится к газовым двигателям, работающим за счет расширения рабочего тела (газа), нагреваемого во внешнем нагревателе, работает по замкнутому циклу.

Предлагаемый ДРС (см. фиг. 1 и 2) компактный, может устанавливаться на автомобилях, мотоциклах, тракторах, а также применяться стационарно (например, в паре с электрогенератором, насосом, пилой) мощностью от 5 до 500 л.с.

ДРС выгодно отличается от поршневых Стирлингов простотой конструкции, малым весом, достаточной мощностью. Поршневой Стирлинг работает при чудовищном давлении 150-200 ат (что приводит к усложнению конструкции двигателя, его утяжелению). ДРС работает при давлении не выше 10 ат, что снимает десятки проблем. Это сказывается на стоимости: ДРС в 10-20 раз дешевле в производстве поршневого Стирлинга.

Сущность изобретения. Роторный двигатель с внешним подводом теплоты состоит из кольцевого статора прямоугольного сечения, внутри которого на неподвижной оси вращается ротор с лопатками, скользящими по внутренней образующей статора только по торцевой линии, а к боковым плоскостям ротора они малоподвижны. Лопатки сжимают рабочее тело (газ) в камере сжатия у ВМТ, и сжатый газ по каналам в статоре направляется в нагреватель, где подогревается до 600K и подогретым направляется по каналам в статоре, расположенным в 45^o после ВМТ, во впереди идущую рабочую камеру с давлением камеры сжатия. Рабочее тело расширяется сначала по изобаре, а после отключения от нагревателя - по адиабате, теплота расширяющегося газа превращается в механическую работу вращающегося ротора, а рабочее тело у НМТ заканчивает свой путь в холодильнике-расширителе и возвращается в первоначальное состояние.

На фиг. 1 показан двигатель в разрезе по А-А перпендикулярно оси ротора, где видно положение центра О₁ оси ротора, центра О₂ оси статора и цилиндрического эксцентрика, разрез роторного кольца 8 с положением лопаток 6 и окон 7, камеры сжатия 15 в положении равновесия у ВМТ, камеры рабочего хода 17, статора 10 в разрезе, на нем каналы: нагнетания сжатого газа 14 в нагреватель, проход горячего сжатого газа по каналу 16 из нагревателя в рабочую камеру 17, каналы 19 и 20 продувки через холодильник-расширитель 18, камера сжатия 21.

На фиг. 2 - разрез по Б-Б двигателя, где видна ось 1 с эксцентриком 5, подшипники 2, крепление оси в корпусе 4, роторное кольцо 8, высокие боковые плоскости ротора 9, создающие вместе с лопатками и статором 10 подвижные камеры рабочего хода и сжатия холодного газа, каналы горячего газа 16, продувочные каналы 19 и поперечный разрез холодильника-расширителя 18, где показана одна из пяти перегородок с "хвостиками" 22 для охлаждения и перемешивания горячего газа, поступающего из камеры, где закончился рабочий ход. Хорошо видно устройство ротора 3 в целом, охватывающим боковыми плоскостями 9 статор 10 с уплотнениями 13. Примерно показан корпус двигателя 4, закрывающий вращающиеся части от внешней среды.

На фиг. 3 помещена схема работы ДРС, объясняющая момент подвода теплоты Q₁ и поясняющая момент начала работы камеры сжатия и работы адиабатического расширения газа, где 1 - конец сжатия, нагревание до 600К, эффективное давление= 10 ат; 2 - перекрытие нагревателя, повышение давления до максимального; 3 - начало и продолжение адиабатического расширения; 4 - рабочий ход по адиабате; 5 - рабочий ход камеры с максимальным давлением > 10 ат (Q₁ - теплота, сообщаемая рабочему телу в нагревателе, Q₂ - теплота, отданная рабочим телом в охладителе). Ниже приведена V-p диаграмма, построенная по нескольким достоверным точкам, по которой можно судить о КПД двигателя.

Устройство (см. фиг. 1 и 2).

На неподвижной оси 1 вращается на подшипниках 2 ротор 3. Ось закреплена в корпусе 4 двигателя. На ней выполнен цилиндрический эксцентрик 5, на который опираются лопатки 6, проходящие через окна 7 кольцевой части 8 ротора. Ротор имеет боковые плоскости 9, между которыми находятся лопатки, вращающиеся вместе с ротором и скользящие по внутренней поверхности статора 10, который связан жестко с корпусом двигателя выступом 11.

На боковых поверхностях статора по окружности выполнены проточки 12, в которых установлены уплотнения 13 из фторопласта (см. фиг. 2), обеспечивающие герметичность подвижного соединения ротора со статором.

О₁ - осевой центр ротора, О₂ - осевой центр статора и цилиндрического эксцентрика. Расстояние О₁О₂ равно 0,1 внутреннего радиуса статора.

На статоре (см. фиг. 1) выполнены в 10^o до ВМТ каналы 14, подающие сжатый газ из камеры сжатия 15 в нагреватель (не показан на чертежах) и в 45^o после ВМТ каналы 16, по которым сжатый и подогретый газ из нагревателя проходит в рабочую камеру 17.

У НМТ установлен холодильник-расширитель 18, связанный со статором каналами 19 и 20. Под остаточным давлением рабочего хода часть отработавшего газа продувается по каналам 19 и 20 через охладитель-расширитель 18 и охлажденным с низким давлением (около 1,5 ат) поступает в камеру сжатия 21.

Действие.

Для приведения в действие двигателя надо сначала разогреть нагреватель до 300^oC (≈600K) и запустить ДРС в нужном направлении; лопатки (см. фиг. 1), двигаясь по окружности эксцентрика, прижимаются центробежной силой к статору и начинают свою работу: камера 21 сжимает холодное рабочее тело, сжатие заканчивается в камере 15, сжатый газ проходит в нагреватель по каналу 14, где ему сообщается тепло Q₁, давление повышается до 10 ат, так как одновременно горячий газ пополняет расширяющую рабочую камеру 17.

Процесс идет прямым путем: камера сжатия - нагреватель - рабочая камера. Упростился путь газа, нет лишних движений и в механизме двигателя.

Под давлением 10 ат газ поступает в рабочую камеру 17 и подхватывает вращение ротора. Одновременно камера сжатия 15 (фиг. 1) выходит из равновесия у ВМТ, т.к. ведущая лопатка становится больше ведомой и также включается в работу. После прохождения ведомой лопатки устья канала 16 камера рабочего хода отключается от нагревателя и дальше работает за счет расширения рабочего тела с 10 ат до 4 ат по адиабате. Давление рабочего тела уменьшается до 4 ат, температура снижается. Но момент вращения не изменяется, т.к. одновременно с уменьшением давления увеличивается радиус действующей части лопатки. При дальнейшем движении ротора рабочая камера приходит к НМТ, открываются продувочные каналы 19 и 20 и включается охладитель-расширитель 18 (см. фиг. 1), где отдается в атмосферу лишняя теплота Q₂: газ приходит в первоначальное состояние и цикл заканчивается (см. фиг. 1 и 3).

Как и в двигателе Стирлинга, ДРС работает за счет теплоты, сообщаемой рабочему телу внешним источником.

По сравнению с поршневым Стирлингом роторный намного проще. Выигрыш достигается за счет следующего:
- нет поршня, ромбического механизма, коленвала,
- нет регенератора,
- прямое движение рабочего тела (меньше потери),
- пять камер - пять рабочих ходов за один оборот,
- маховиком служит сам ротор,
- большой крутящий момент,
- постоянство крутящего момента на протяжении всего рабочего хода (плечо момента увеличивается к концу рабочего хода),
- возможно повышение внутреннего давления газа в двигателе (поместить весь двигатель вместе с электрогенератором в герметическую камеру),
- высокий КПД двигателя - не менее 65%,
- нет свечей электрозажигания,
- нет газораспределительного механизма.

Источники информации
1. Двигатели Стирлинга.- М.: Машиностроение, 1977 г. (под редакцией М.Г. Круглова).

2. Техническая термодинамика с основами теплопередачи и гидравлики.- Л.: Машиностроение, 1988 г. (Н.Г. Лашутина, О.В. Макашова, Р.М. Медведева).

3. Основы теории и конструирования автотракторных двигателей.- М.: Высшая школа, 1973 г. (М.Д. Артамонов, М.М. Морин).

Изобретение относится к области двигателестроения и позволяет повысить эффективность двигателей Стирлинга. Двигатель состоит из кольцевого статора прямоугольного сечения, внутри которого на неподвижной оси вращается ротор с лопатками, скользящими по внутренней образующей статора. Лопатки сжимают рабочее тело (газ) в камере сжатия у ВМТ и по каналам в статоре направляют его в нагреватель, где он подогревается до 600К. Подогретый газ направляют по каналам в статоре, расположенным в 45^o после ВМТ, во впереди идущую рабочую камеру с давлением камеры сжатия. Здесь рабочее тело расширяется сначала по изобаре, а после отключения от нагревателя - по адиабате; теплота расширяющегося газа превращается в механическую работу вращающегося ротора, а рабочее тело заканчивает свой путь в холодильнике-расширителе и возвращается в первоначальное состояние. Двигатель работает по двухтактному замкнутому циклу. Существенная черта двигателя - работает разность площадей лопаток каждой камеры. При пяти лопатках обеспечивается запирание камеры сжатия и повышение давления в ней в течение 72^o - 45^o = 27^o поворота ротора. Источник энергии - сконцентрированные лучи солнца на нагревателе, поэтому двигатель пригоден для работы в космосе. При работе в наземных устройствах используется природный газ. 3 ил.

Роторный двигатель c внешним подводом теплоты, состоящий из кольцевого статора прямоугольного сечения, внутри которого на неподвижной оси вращается ротор с лопатками, скользящими по внутренней образующей статора только по торцевой линии, а к боковым плоскостям ротора они малоподвижны, сжимают рабочее тело (газ) в камере сжатия у ВМТ и сжатый газ по каналам в статоре направляется в нагреватель, где подогревается до 600К, и подогретым направляется по каналам в статоре, расположенным в 45^o после ВМТ, во впереди идущую рабочую камеру с давлением камеры сжатия, рабочее тело расширяется сначала по изобаре, а после отключения от нагревателя - по адиабате, теплота расширяющегося газа превращается в механическую работу вращающегося ротора, а рабочее тело у НМТ заканчивает свой путь в холодильнике-расширителе и возвращается в первоначальное состояние.