РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ (РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА) Российский патент 2003 года по МПК F02G1/04 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в авто- и судостроении, в том числе и в подводных лодках и аппаратах, в энергетике, в космосе.

Известен двигатель с внешним подводом теплоты "Роторный Стирлинг" (патент RU 2132476, F 02 G 1/04, публикация 1999.06.27, автор Камаев Е.С.), содержащий преобразователь тепла, статор, неподвижную ось с эксцентриком, на которой эксцентрично вращается кольцевой ротор с лопатками, установленными в прорезях. Работа в указанном двигателе, как считает автор, осуществляется в результате давления газа на изменяющиеся площади рабочих лопаток, неодинаково выдвигающихся из вращающегося ротора в разных областях статора.

Однако в известном двигателе происходит смещение масс, которое необходимо уравновешивать, наличие эксцентрика потребует очень точного изготовления деталей и их сборки, к тому же большое количество узлов, требующих герметичности, приведет к большим механическим потерям от сил трения. В представленном виде двигатель не способен достичь заявленного результата, т.к. отсутствует цикличность, необходимая для работы двигателя - т.е. чередование тактов. Такты - рабочий ход/выпуск и впуск/сжатие - продолжаются бесконечно и проходят параллельно в обоих контурах. Это приведет к тому, что высокое давление горячего газа в нагревателе не позволит втолкнуть в него порцию холодного газа. Давление горячего газа из нагревателя будет распространяться в обе стороны и, тем самым, выровняет давление в вытеснительном и силовом контурах статора, что приведет систему в равновесие, при котором вращение ротора прекратится.

Задачей изобретения является оптимизация конструкции роторного двигателя под протекающие процессы.

Технический результат достигается тем, что роторный двигатель внешнего сгорания, одна секция которого содержит по меньшей мере один статор с торцевыми крышками, ротор, силовой вал, нагреватель, регенератор, холодильник, каналы, рабочую среду, устройство регулирования давления рабочей среды, причем цилиндрический статор оборудован тремя подвижными пластинами, образующими силовой, вытеснительный и промежуточный контуры, цилиндрический ротор посажен либо на кривошип силового вала и катится по внутренней цилиндрической поверхности статора, либо соосно силовому валу и оборудован по крайней мере одним кулачком, каналы (при необходимости) оборудованы клапанами (обратными, впускными, выпускными).

Устройство регулирования давления рабочей среды содержит газовый баллон (возможно с поглотителем газа) и компрессор двустороннего действия, либо цилиндр с поршнем, перемещаемый посредством мотора и винтовой пары.

На фиг. 1 изображена однокорпусная секция роторного двигателя внешнего сгорания.

На фиг. 2 изображены такты рабочего цикла роторного двигателя внешнего сгорания.

На фиг. 3 изображена секция роторного двигателя внешнего сгорания двукратного действия.

Роторный двигатель внешнего сгорания состоит из преобразователей энергии механической и тепловой. Cекция двигателя внешнего сгорания содержит один статор 16 (фиг. 1), оборудованный тремя подвижными пластинами 6, 12, 17, прижимаемыми к поверхности ротора 13 посредством пружин 28, 11, 19. Статор 16 с торцов закрыт торцевыми крышками (не показаны). Внутри статора 16 на силовом вале 15 вращается по стрелке "а" ротор 13, оборудованный кулачками 14 и, возможно, 9. Внутренний объем статора посредством подвижных пластин 6,12,17 разделен на силовой ("с"), промежуточный ("п") и вытеснительный ("в") контуры, а сами пластины герметично прижимаются под действием пружин 28, 11, 19 к ротору 13 и к торцевым крышкам и тем самым противодействуют проникновению рабочей среды из одного контура в другой, минуя каналы, соединяющие эти контуры. При прохождении через подвижные пластины кулачка 14 ротора 13 подвижные пластины отжимаются в тело статора 16. Каналы разделяются на выходной 24, оборудованный обратным или выпускным клапаном 18, перепускной 29, оборудованный обратным клапаном 20, и, при наличии на роторе 13 кулачков 9, 14, входные 3, 2, оборудованные впускными клапанами 7, 8 и обратными клапанами 1,30. Каналы проходят, как правило, через преобразователь тепловой энергии, состоящий из нагревателя ("н") 5, регенератора ("р") 26 и холодильника ("х") 4 (или в обратной последовательности), но для уменьшения динамического сопротивления и удобства компоновки возможна схема проводки каналов как на фиг. 1, 2, которые проходят через регенератор и/или через какой-либо из конечных преобразователей тепловой энергии. Внутренний объем статоров и каналов заполнен рабочей средой, которой может быть, например, газ - пар, водород, гелий или другой подходящий для этого наполнитель.

Роторный двигатель внешнего сгорания работает следующим образом.

Запуск двигателя производится после разогрева нагревателя ("н") 5 и охлаждения холодильника ("х") 4 и принудительного проворота силового вала 15 по стрелке "а" на один-два оборота. При этом замкнутый цикл Стирлинга осуществляется за три такта при постоянно протекающем выпуске (фиг.2): положение I - сжатие-впуск; положение II - перепуск-охлаждение, нагрев; положение III - рабочий ход. Стрелками показано движение газа: волнистой - горячего, пунктирной - теплого, ровной - холодного.

Такт I - сжатие-впуск - вытеснение в регенератор холодного газа и после его предварительного подогрева проталкивание его в нагреватель. Кулачок 14 ротора 13 движется по стрелке "а" в вытеснительном контуре "в" и, сжимая холодный газ (рабочую среду) в этой области статора 16, вытесняет его в канал 27, проходящий через регенератор 26, и по каналу 3 в нагреватель 5. В увеличивающуюся нижнюю область контура "в" при продвижении в ней кулачка 14 втягивается из канала 29 холодный газ, выходящий из промежуточного контура "п" через холодильник 4. При этом после выхода кулачка 14 из контура "в" в контур "п" обратные клапаны 25, 30, 1 не позволят газу после увеличения объема вследствие нагрева переместиться в контур "в".

Такт II - перепуск-охлаждение, нагрев. При продвижении кулачка по контуру "п" происходит вытеснение теплого газа через холодильник 4 (где происходит его охлаждение) в контур "в". При этом в контур "п" газ поступает под давлением или засасывается из силового контура "с", пройдя предварительно через регенератор "р" и оставив там часть тепла. За время продвижения кулачка 14 по контуру "п" происходит достаточный нагрев газа в нагревателе 5, при этом газ концентрируется в нагревателе, где его удерживают обратный клапан 30 и впускной клапан 8.

Такт III - рабочий ход. При вхождении кулачка 14 в силовой контур "с" после прохождения им подвижной пластины 12 принудительно открывается впускной клапан 8, при этом горячий газ под большим давлением толкает кулачок 14 (т. к. пластину 12 сдвинуть невозможно) по стрелке "а", тем самым осуществляется вращение силового вала 15. Одновременно кулачком 14 вытесняется горячий газ из силового контура "с", оставшийся там после предыдущего рабочего хода, в регенератор 26, ранее охлажденный проходом холодного газа, где отдает часть теплоты, и затем поступает в промежуточный контур "п". В момент перехода кулачка 14 через подвижные пластины (6, 12 или 17, фиг.1) - последние отжимаются кулачком за внутреннюю поверхность статора 16 и беспрепятственно пропускают кулачок 14 (подвижные пластины всегда прижаты пружинами 11, 19, 28 к поверхности кулачка 14 и ротора 13), при этом происходит отсекание газа и обеспечивается герметичность контуров. Далее процесс повторяется.

Выпуск горячего газа из контура "с" в канал 24 открыт постоянно.

Для осуществления двукратного действия (т.е. количества рабочих ходов за один оборот силового вала) требуется дооборудование ротора 13 дополнительным кулачком 9 (что улучшит балансировку ротора) и нагревателя 5 дополнительным каналом 2 с обратным клапаном 1 и впускным клапаном 7. При этом теплый газ из регенератора 26 под действием кулачков 14, 9 будет поочередно вталкиваться в каналы 2 или 3, т.к. если в одном из них будет происходить нагрев, то высокое давление не позволит втолкнуть в него порцию газа, поэтому газ войдет в канал, в котором уже упало давление. Каналы 2 и 3 соединены с впускным каналом 10, впуск горячего газа в который регулируется впускными клапанами 7, 8. Таким образом, увеличивая количество кулачков ротора и входных каналов кратность можно увеличить до разумной достаточности.

Мощность и обороты двигателя регулируются устройством изменения давления рабочей среды, содержащим газовый баллон 21 (возможно с наполнителем в виде какого-нибудь поглотителя газа, например, гидрида для водорода, фиг.1) и специальный компрессор 23 для перекачки рабочей среды в обоих направлениях, соединенных каналом 22 с каналом 27. Возможно также оборудование двигателя устройством, содержащим цилиндр с поршнем, движение которого осуществляется посредством винтового штока от мотора (не показано).

В описанном двигателе отсутствует осаждение продуктов сгорания или реакций на внутренней поверхности статора от рабочей среды, что позволит применить в нем роликовый ротор 13 (фиг.3), посаженный на кривошип 31 силового вала 15, катящийся по внутренней поверхности статора 16.

Привод впускных (и других) клапанов может осуществляться от распределительных кулачков на валах 15 и/или 36 через толкатели либо от различных управляемых устройств (не показаны).

Изложенная выше конструкция роторного двигателя внешнего сгорания не исчерпывает всех вариантов, а является лишь его иллюстрацией. На практике могут быть использованы и другие варианты без нарушения основной идеи технического решения.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к роторным двигателям внешнего сгорания. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения: двигатель содержит по меньшей мере один статор с торцевыми крышками, ротор, силовой вал, нагреватель, регенератор, холодильник, каналы, оборудованные клапанами, рабочую среду и устройство регулирования давления рабочей среды. Согласно изобретению статор оборудован тремя подвижными пластинами, образующими силовой, вытеснительный и промежуточный контуры. При этом цилиндрический ротор посажен на кривошип силового вала и катится по внутренней цилиндрической поверхности статора либо он посажен соосно с силовым валом и оборудован по крайней мере одним кулачком. 4 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Роторный двигатель внешнего сгорания, одна секция которого содержит по меньшей мере один статор с торцевыми крышками, ротор, силовой вал, нагреватель, регенератор, холодильник, каналы, оборудованные клапанами, рабочую среду и устройство регулирования давления рабочей среды, отличающийся тем, что статор оборудован тремя подвижными пластинами, образующими силовой, вытеснительный и промежуточный контуры. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что устройство регулирования давления рабочей среды содержит газовый баллон и компрессор двустороннего действия. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что устройство регулирования давления рабочей среды содержит цилиндр с поршнем, перемещаемым посредством мотора и винтовой пары. 4. Двигатель по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что цилиндрический ротор посажен на кривошип силового вала и катится по внутренней цилиндрической поверхности статора. 5. Двигатель по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что цилиндрический ротор посажен соосно с силовым валом и оборудован по крайней мере одним кулачком.