КОНВЕКЦИОННЫЙ ПРОТИВОТОЧНЫЙ РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ СЫРЧИНА Российский патент 2002 года по МПК F03G7/06 

Использование: изобретение относится к тепловым двигателям и касается конструирования и проектирования роторных двигателей и способов их работы.

Сущность изобретения заключается в том, что в конвекционном противоточном роторном двигателе (в дальнейшем КПРД), имеющем два варианта устройства:
1. В корпусе, имеющем форму двояко зеркально-симметрично усеченного цилиндра с торцовыми крышками, в центре каждой из которых на подшипниках закреплены своими полуосями диски так, что они могут только вращаться на своих полуосях, а максимальное и минимальное расстояние между дисками находятся в диаметрально противоположных точках. Между дисками равномерно размещены и закреплены множество рабочих тел, элементов, а на цилиндрической поверхности корпуса, в максимально широкой его части, соответствующей максимальному расстоянию между дисками, имеется камера сгорания, выполненная в виде выпуклости корпуса с устройством подачи, воспламенения и регулирования подачи топлива, а в диаметрально противоположной, наименее узкой части корпуса - впускное воздушное окно и находящееся над ним окно выпуска отработанных газов.

2. В корпусе, имеющем форму правильного прямоугольного цилиндра с торцовыми крышками, на одной из которых в центре на подшипниках полуосью закреплен цилиндрический сетчатый (для прохождения газов) барабан с размерами, несколько, меньшими размеров корпуса (для свободного вращения), причем противоположный полуоси торец барабана не имеет крышки и отсюда в полость барабана помещен диаметром меньший цилиндр, закрепленный эксцентрично на подшипниках своей полуось, во второй торцовой крышке корпуса так, что образующие линии барабана и цилиндра параллельны, а расстояние между поверхностями барабана и цилиндра максимально и минимально в диаметрально противоположных точках. Между этими поверхностями равномерно размещено и закреплено множество рабочих тел, элементов, а на цилиндрической поверхности корпуса, в месте максимального расстояния между поверхностями барабана и цилиндра имеется камера сгорания, выполненная в виде выпуклости корпуса, с устройством подачи воспламенения и регулирования подачи топлива, а в диаметрально противоположной части корпуса - впускное воздушное окно и расположенное над ним окно выпуска отработанных газов, применен конвекционный противоточный способ разогрева и охлаждения рабочих тел, элементов, прямого и обратного рабочих циклов, утилизации остаточной после рабочих циклов тепловой энергии рабочих тел, элементов.

Изобретение относится к тепловым двигателям и касается проектирования и конструирования роторных двигателей и способов их работы.

Известен тепловой двигатель (патент RU N 2053411, кл. 6 F 03 G 7/06 от 23.12.91 г. ), содержащий корпус с зонами нагрева и охлаждения, многосекционный механизм деформирования, обеспечивающий знакопеременное нагружение рабочих элементов из материала, обладающего свойством термомеханической памяти формы. Однако известный тепловой двигатель имеет сложное устройство, предполагает использование жидкого теплоносителя и малоэкономичен в эксплуатации, поскольку в нем необходима система охлаждения и не используется остаточная после рабочих циклов тепловая энергия рабочих элементов.

Известен способ работы тепловых двигателей (карбюраторных и дизельных), при котором тепловая энергия сжигаемого топлива разогревает рабочее тело, состоящее из продуктов этого горения.

Однако известный способ работы тепловых двигателей малоэкономичен (КПД 25-35%), поскольку при этом способе существует необходимость в дополнительных энергозатратных циклах, таких как всасывание, сжатие, выхлоп и дополнительных систем и устройств: запуска, охлаждения, зажигания, смазки, сложной топливной системы, устройства гашения выхлопа.

Технический результат изобретения заключается в повышении экономичности эксплуатации теплового двигателя путем применения КПРД с конструкцией, позволяющей применять конвекционный противоточный способ разогрева и охлаждения рабочих тел, элементов, прямого и обратного рабочих циклов, утилизации остаточной после рабочих циклов тепловой энергии рабочих тел, элементов. Кроме того, в таком двигателе исключена необходимость в дополнительных энергозатратных циклах, в системе запуска, охлаждения, смазки и сложной топливной системы, устройства глушения выхлопа, а система зажигания упрощена до единичного пускового воспламенения горючего.

Это достигается тем, что корпус КПРД, выполненный в виде прямого или усеченного цилиндра с торцовыми крышками, по форме бесконтактно облегает находящийся в нем ротор, состоящий из множества рабочих тел, элементов, равномерно размещенных и закрепленных между двумя поверхностями вращения, которые в свою очередь закреплены своими полуосями через подшипниковые соединения в соответственно противоположных торцовых крышках корпуса так, что оси вращения этих поверхностей смещены друг относительно друга (эксцентрично или под углом) и расстояние между поверхностями вращения максимально и минимально в диаметрально противоположных точках ротора. На цилиндрической поверхности корпуса, в месте максимального расстояния между поверхностями вращения ротора, выполнена камера сгорания в виде выпуклости корпуса с устройством подачи, воспламенения и регулирования подачи топлива, а в противоположной части корпуса, у точки минимального расстояния между поверхностями вращения ротора, - впускное воздушное окно и, расположенное над ним, окно выпуска отработанных газов. Кроме того, в КПРД применен конвекционный противоточный способ разогрева и охлаждения рабочих тел, элементов, прямого и обратного рабочих циклов, утилизации остаточной после рабочих циклов тепловой энергии рабочих тел, элементов.

На фиг. 1 изображены: а) вид сбоку; b) вид сверху КПРД 1-го варианта.

На фиг. 2 изображены: а) разрез по А-А; b) разрез по В-В фиг. 1.

На фиг. 3 изображены: а) вид сбоку; b) вид сверху КПРД 2-го варианта.

На фиг. 4 изображены: а) разрез по С-С; b) разрез по D-D фиг. 3.

На фиг. 2, а и 4,а показаны только те рабочие тела, элементы, которые рассечены секущей плоскостью. Кроме того, на фиг. 2,b и 4,b волнистыми стрелками показана схема движения воздушного потока поддува горения (в нижней части ротора) и продуктов горения (в верхней части ротора), а круговыми стрелками - направление вращения ротора.

На фиг. 1-4 цифровые обозначения равнозначных элементов КПРД идентичны. На фиг. 5 изображен энергетический баланс КПРД.

1. Корпус 1 (фиг. 1 и 2) имеет форму двояко зеркально-симметрично усеченного цилиндра с торцовыми крышками 2 и 3, в центре которых на подшипниках 4 и 5, размещенных в гнездах 6 и 7 торцовых крышек, закреплены своими полуосями 8 и 9 диски 10 и 11 так, что они имеют только одну степень свободы - вращение на своих полуосях, а максимальное и минимальное расстояние между дисками находится в диаметрально противоположных точках М и N. Между дисками равномерно размещено и закреплено множество рабочих тел, элементов 12, а на цилиндрической поверхности корпуса 1, в максимально широкой его частя, у точки М, расположены камера сгорания 13, выполненная в виде выпуклости корпуса, и устройство подачи, воспламенения и регулирования подачи топлива (условно обозначено элементом 14), а в диаметрально противоположной части корпуса, у точки N, - впускное воздушное окно 15 и расположенное над ним окно выпуска отработанных газов 16. На фиг. 2,b, в разрезе В-В показаны воздушный поток поддува горения 17, поток продуктов горения 18 и направление вращения ротора 19.

2. В корпусе 1 (фиг. 3 и 4), имеющем форму правильного прямоугольного цилиндра с торцовыми крышками 2 и 3, на одной из которых (3) в центре на подшипниках 5, размещенных в гнезде 7, полуосью 9 закреплен цилиндрический сетчатый барабан 10, причем противоположный полуоси торец барабана не имеет крышки, отсюда в полость барабана помещен цилиндр 11, диаметром меньше барабана, закрепленный эксцентрично на подшипниках 4, размещенных в гнезде 6 во второй торцовой крышке 2 корпуса 1 полуосью 8 так, что образующие линии барабана 10 и цилиндра 11 параллельны, а расстояние между поверхностями последних максимально и минимально в диаметрально противоположных точках М и N и между этими поверхностями равномерно размещено и закреплено множество рабочих тел, элементов 12, а на цилиндрической поверхности корпуса, в месте максимального расстояния между поверхностями барабана и цилиндра, у точки М, имеются камера сгорания 13, выполненная в виде выпуклости корпуса и устройство подачи, воспламенения и регулирования подачи топлива (условно обозначено элементом 14), а в диаметрально противоположной части корпуса, у точки N - впускное воздушное окно 15 и, расположенное над ним, окно выпуска отработанных газов 16. На фиг. 4,b, в разрезе В-В показаны стрелками 17 воздушный поток поддува горения, стрелками 18 поток продуктов горения и стрелкой 19 направление вращения ротора.

В двигателях по вариантам 1 и 2 в качестве устройства подачи топлива могут использоваться в зависимости от вида применяемого топлива жиклеры, форсунки, фитили и другие устройства. В корпусе могут быть разъемы по технологии оборки, узлы крепления к другим агрегатам, устройства нагнетания топлива и воздуха, а на полуосях ротора - устройства передачи вращающего момента - шкивы, шестерни и др. (на фиг. 1-4 не показаны).

В качестве рабочих тел, элементов возможно использование элементов с термодинамической памятью формы, пружин из материалов с большими термодинамическими коэффициентами, гофрированные элементы с газом.

Сущность изобретения заключается в повышении экономичности эксплуатации теплового двигателя путем применения КПРД с конструкцией, позволяющей применять конвекционный противоточный способ разогрева и охлаждения рабочих тел, элементов, прямого и обратного рабочих циклов, утилизации остаточной после рабочих циклов тепловой энергии рабочих тел, элементов.

В таком двигателе газовые потоки направлены навстречу (впротивоток) вращения ротора, причем поток продуктов горения 18 (фиг. 2,b и 4,b) движется от камеры сгорания 13 до окна выпуска отработанных газов 16 в верхней части ротора, а воздушный поток поддува горения I7 движется от впускного воздушного окна 15 до камеры сгорания 13 в нижней его части. Раскаленные продукты горения 18, двигаясь от камеры сгорания 13 до окна выпуска отработанных газов 16 противоточно множеству рабочих тел, элементов 12, конвекционно разогревают их от температуры наружного воздуха у окна выпуска отработанных газов до температуры горения у камеры сгорания, при этом рабочие тела, элементы, расширяясь или раскрываясь (в зависимости от их типа), создают рабочее давление на опорные точки (точки их крепления к поверхностям вращения 11 и 12), совершают прямой рабочий цикл, поскольку это происходит на участке взаимного расхождения этих точек по ходу вращения ротора, при этом продукты горения по ходу движения охлаждаются от температуры горения у камеры сгорания 13 до температуры наружного воздуха у окна выпуска отработанных газов 16.

Миновав по ходу вращения ротора камеру сгорания, раскаленные и расширенные (раскрытые) рабочие тела, элементы поступают во встречный (противоточный) воздушный поток поддува горения 17, конвекционно охлаждаются им от температуры горения у камеры сгорания 13 до температуры наружного воздуха у впускного воздушного окна 15, при этом рабочие тела, элементы 12, сжимаясь (закрываясь), создают стягивающее воздействие на точки их крепления, совершают обратный рабочий цикл, поскольку это происходит на участке взаимного схождения этих точек по ходу вращения ротора, а воздушный поток поддува горения 17 разогревается от температуры наружного воздуха у впускного воздушного окна 15 до температуры горения у камеры сгорания 13, утилизируя и возвращая в прямой рабочий цикл таким образом остаточную после рабочих циклов тепловую энергию рабочих тел, элементов.

В КПРД применен принцип непрерывного горения топлива и поэтому при соответствующих несложных устройствах подачи топлива, таких как жиклер, форсунка, фитиль и других возможно использование любого вида топлива.

Регулировка скорости вращения и усилия на валу отбора мощности осуществляется изменением количества подачи топлива, изменением размера относительного (друг-друга) смещения полуосей ротора и изменением параметров рабочих тел, элементов.

Конструктивно КПРД выполнен без трущихся деталей внутри двигателя и это даст возможность исключить потери энергии на трение и исключить систему внутренней смазки, оставив только смазку опорных подшипников полуосей ротора. Кроме того, способ противоточного охлаждения - утилизации остаточной после рабочих циклов тепловой энергии рабочих тел, элементов не требует дополнительного отвода тепловой энергии, охлаждения двигателя и поэтому все детали КПРД, кроме рабочих тел, элементов, изготовляются из теплоизоляционных материалов, а выходящие отработанные газы имеют температуру, близкую к температуре наружного воздуха и поэтому не уносят много тепловой энергии.

Запуск КПРД осуществляется разовым воспламенением подаваемого топлива.

Энергетический баланс КПРД имеет вид (фиг. 5), где:
1. Энергия прямого рабочего цикла.

2. Энергия обратного рабочего цикла.

3. Утилизированная, возвращенная тепловая энергия.

4. Энергия потерь, ушедшая через корпус и с отработанными газами.

Таким образом, в КПРД тепловая энергия сжигаемого топлива в большей своей части затрачивается на полезную работу и лишь незначительная часть (зависящая от теплоизоляционных качеств деталей двигателя) рассеивается в наружном воздухе и, следовательно, экономичность работы КПРД в большей части зависит от теплоизоляционных свойств его корпуса и деталей.

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к двигателям, использующим расширение и сокращение элементов, вызываемых изменением температуры. Техническим результатом является повышение экономичности двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что в двигателе, состоящем из корпуса, размещенных в нем двух поверхностей вращения, между которыми размещены разогреваемые и охлаждаемые рабочие элементы, согласно изобретению рабочие элементы разогревают продуктами горения камеры сгорания с непрерывным процессом горения, расположенной на поверхности корпуса в месте максимального расстояния между поверхностями вращения, а газовые потоки направлены навстречу вращению ротора, осуществляя конвекционный противоточный способ разогрева и охлаждения рабочих элементов. При этом раскаленный поток продуктов горения, двигаясь от камеры сгорания до окна выпуска, разогревает рабочие элементы, и они совершают прямой рабочий цикл, а воздушный поток, двигаясь от окна впуска до камеры сгорания, их охлаждает, и они совершают обратный рабочий цикл. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Конвекционный противоточный роторный двигатель, состоящий из корпуса, размещенных в нем двух поверхностей вращения, расстояние между которыми максимально и минимально в диаметрально противоположных точках, множества разогреваемых и охлаждаемых рабочих элементов, равномерно размещенных и закрепленных в пространстве между поверхностями вращения, а также выполненных в корпусе окон впуска воздуха и выпуска отработанных газов, причем каждая из поверхностей вращения крепится через подшипниковое соединение своей полуосью во взаимно противоположных торцовых крышках корпуса, отличающийся тем, что рабочие элементы разогревают продуктами горения камеры сгорания с непрерывным процессом горения, снабженной устройством подачи, регулирования и воспламенения топлива и расположенной на поверхности корпуса в месте максимального расстояния между поверхностями вращения, окна впуска и выпуска расположены в части корпуса, диаметрально противоположной камере сгорания, а газовые потоки направлены навстречу вращению ротора, осуществляя конвекционный противоточный способ разогрева и охлаждения рабочих элементов, при этом раскаленный поток продуктов горения, двигаясь от камеры сгорания до окна выпуска, разогревает рабочие элементы и они совершают прямой рабочий цикл, а воздушный поток, двигаясь от окна впуска до камеры сгорания, их охлаждает и они совершают обратный рабочий цикл. 2. Конвекционный противоточный роторный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что поверхности вращения выполнены в виде дисков, оси которых расположены под углом друг к другу. 3. Конвекционный противоточный роторный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что поверхности вращения выполнены в виде сетчатого (для прохождения газов) барабана и расположенного внутри него цилиндра, оси которых смещены параллельно друг относительно друга. 4. Конвекционный противоточный роторный двигатель по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что в нем возможно применение любого вида топлива. 5. Конвекционный противоточный роторный двигатель по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что в качестве рабочих элементов применяются элементы из материалов с термодинамической памятью формы, из материалов с большим термодинамическим коэффициентом или объемные гофрированные элементы с газом. 6. Конвекционный противоточный роторный двигатель по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что регулировка скорости вращения и усилия на валу отбора мощности осуществляется изменением количества подачи топлива, изменением размера относительного смещения осей поверхностей вращения и изменением параметров рабочих элементов. 7. Конвекционный противоточный роторный двигатель по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что корпус и детали, кроме рабочих элементов, выполнены из теплоизоляционных материалов.