ГАЗОРОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ЮГИ Российский патент 2003 года по МПК F02B53/06 F01C1/73 

Изобретение относится к роторным двигателям и роторным компрессорам.

Газороторный двигатель предназначен для привода различных машин с использованием жидкого или газообразного топлива.

Аналогами предлагаемого изобретения являются непубликуемые а.с. 183722, 210593 и заявки автора с положительными решениями: 99121104/06(022355), 99121018/06(022362).

Прототипом предполагаемого изобретения является газороторная машина по заявке автора с положительным решением 99121106/06(022353).

Газороторная машина содержит компрессор и двигатель с впускными и выпускными каналами, причем каждый выполнен из двух роторов с лопастями, один из которых - внутренний, с лопастями, направленными наружу, второй ротор - наружный, с лопастями, направленными внутрь, причем внутренние роторы компрессора и двигателя соединены между собой, соединены между собой и наружные роторы, при этом каждый ротор имеет роликовую муфту, компрессор и двигатель снабжены дифференциальными клапанами, размещенными на двигателе - в лопастях наружного ротора и соединенными с выпускным каналом, двигатель снабжен также шариковыми золотниками, размещенными в лопастях внутреннего ротора с радиальными каналами.

Недостатком прототипа является то, что двигатель-детандер работает от сжатого газа (воздуха) и не может использоваться в качестве теплового двигателя.

Задачей изобретения является устранение указанного недостатка ближайшего аналога и создание теплового двигателя, работающего на жидком или на газообразном топливе с высокой экономичностью и экологичностью, имеющим значительно меньший удельный объем и удельную массу по сравнению с известными тепловыми двигателями.

Указанная задача достигается тем, что газороторный двигатель содержит роторный компрессор и роторный двигатель с впускными и выпускными каналами, причем каждый выполнен из двух роторов с лопастями, один из которых - внутренний, с лопастями, направленными наружу, второй ротор - наружный, с лопастями, направленными внутрь, причем, внутренние роторы компрессора и двигателя соединены между собой, соединены между собой и наружные роторы, при этом каждый ротор имеет роликовую муфту, компрессор и двигатель снабжены дифференциальными клапанами, размещенными на двигателе в лопастях наружного ротора и соединенных с выпускными каналами, двигатель снабжен также шариковыми золотниками, размещенными в лопастях внутреннего ротора с радиальными каналами, однако в отличие от прототипа компрессор имеет дифференциальные клапаны в лопастях наружного ротора, соединенные с впускным каналом и шариковые золотники в лопастях внутреннего ротора с радиальными каналами, направленными к оси и имеющими обратные (пластинчатые) клапаны, а в осевой полости расположен цилиндр с каналами подвода воздуха к камере сгорания с топливной форсункой, свечой воспламенения и каналами отвода газа из камеры сгорания к шариковым золотникам двигателя, цилиндр через обратные клапаны соединен с каналами подвода пускового воздуха, внутренние и наружные роторы имеют каждый роликовые муфты с неподвижной наружной обоймой и роликовые муфты с наружной обоймой, соединенной с выходным валом газороторного двигателя.

Газороторный двигатель может быть выполнен с двухступенчатым роторным компрессором, причем лопасти первой ступени закреплены на кольце, направлены наружу и в них расположены шариковые золотники, соединенные каналами с дифференциальными клапанами в лопастях второй ступени, закрепленными на кольце и направленными внутрь, в которых расположены также шариковые золотники, соединенные выпускными каналами с полостью цилиндра и камерой сгорания, а в наружном роторе лопасти первой ступени имеют дифференциальные клапаны, внутренние полости которых соединены с впускными каналами, а лопасти второй ступени соединены с крышками наружного ротора и имеют уплотнения с кольцом и внутренним ротором.

На фиг. 1 показан продольный разрез газороторного двигателя с одноступенчатым компрессором.

На фиг.2 показано поперечное сечение А-А с фиг.1.

На фиг.3 показано поперечное сечение Б-Б с фиг.1.

На фиг. 4 показан продольный разрез газороторного двигателя с двухступенчатым компрессором.

На фиг.5 показано поперечное сечение А-А с фиг.4.

На фиг.6 показано поперечное сечение Б-Б с фиг.4
Газороторный двигатель содержит компрессор 1 (фиг.1, 2) с впускными 2 и выпускными 3 каналами и двигатель 4 с впускным 5 и выпускным 6 каналами.

Роторный компрессор 1 выполнен из двух роторов: внутреннего 7 с лопастями 8, направленными наружу и наружного ротора 9 с лопастями 10, направленными внутрь.

Роторный двигатель 4 также выполнен из двух роторов: внутреннего 11 с лопастями 12, направленными наружу и наружного ротора 13 с лопастями 14, направленными внутрь.

Внутренний ротор 7 компрессора и внутренний ротор 11 двигателя соединены между собой шлицами 15 и имеют роликовую муфту 16.

Наружный ротор 9 компрессора и наружный ротор 13 двигателя также соединены между собой и имеют роликовую муфту 17.

Обе роторные машины 1 и 4 снабжены дифференциальными клапанами: на компрессоре клапаны 18 (фиг.1, 2) с внутренними полостями 19, а на двигателе - клапаны 20 (фиг.1, 3) с полостями 21 и размещенными в лопастях.

Внутренние полости 19 клапанов компрессора соединены посредством отверстий 22 с впускными каналами 2, а внутренние полости 21 клапанов двигателя соединены с выпускными каналами 6.

Компрессор 1 снабжен шариковыми золотниками 23, а двигатель 4 снабжен шариковыми золотниками 24, которые размещены в лопастях внутренних роторов.

Дифференциальные клапаны 18 компрессора размещены в лопастях 10 наружного ротора 9, а дифференциальные клапаны 20 двигателя 4 расположены в лопастях 14 наружного ротора 13.

Выпускные каналы 3 компрессора имеют обратные клапаны 27 (пластинчатые) (фиг.1).

В осевой полости газороторного двигателя расположен цилиндр 28 с каналами 29 подвода воздуха к камере сгорания 30, в которой расположена топливная форсунка 31, соединенная каналом 32 со штуцером 33 подвода топлива.

Камера сгорания имеет свечу воспламенения 34 и каналы 35 отвода газа из камеры сгорания к впускным каналам 5 и шариковым золотникам 24 двигателя.

Цилиндр 28 через обратный клапан 36 соединен с каналами 37 подвода пускового воздуха (газа).

Внутренние и наружные роторы компрессора и двигателя имеют роликовые муфты 16 и 17 с неподвижными наружными обоймами 38 и 39, соединенные с неподвижным корпусом 40, и роликовые муфты 41 и 42 с общей наружной обоймой 43, соединенной с выходным валом 44 газороторного двигателя, на котором установлен вентилятор 45.

Компрессор имеет рабочие полости 46 и 47 (фиг.2), а двигатель имеет рабочие полости 48, 49 (фиг.3).

Показанный на фиг. 4, 5, 6 газороторный двигатель выполнен с двухступенчатым компрессором.

Первая ступень компрессора аналогична выше описанной и отделена от второй ступени кольцом 50 с закрепленными на нем лопастями 51 внутреннего ротора, направленными наружу, в которых расположены шариковые золотники 52, соединенные каналами 53 с дифференциальными клапанами 54 в лопастях 55 внутреннего ротора принадлежащих второй ступени компрессора.

В лопастях 55 расположены также шариковые золотники 56 (аналогичные золотникам 23 на фиг.1, 2), которые каналами 57 соединены с полостью, где расположены цилиндр 28 с каналами 29 подвода воздуха к камере сгорания 30.

Лопасти 58 наружного ротора первой ступени компрессора имеют дифференциальные клапаны 59 (аналогичные клапанам 18 на фиг.1, 2).

Лопасти 60 наружного ротора второй ступени компрессора не имеют дифференциальных клапанов и золотников, соединены с крышками 61, 62 и имеют радиальные уплотнения 63, 64.

Первая ступень компрессора имеет рабочие полости 65, 66 (фиг.5) и вторая ступень компрессора имеет рабочие полости 67, 68.

Работает газороторный двигатель следующим образом:
Для запуска двигателя в канал 37 подается сжатый воздух, который проходит через обратный клапан 36 в полость, где расположен цилиндр 28 с каналами 29, заполняет камеру сгорания 30, закрывает обратные клапаны 27 и через каналы 35 проходит к шариковым золотникам 24.

Если полости 49 соединены с атмосферой (через дифференциальные клапаны 20 и выпускные окна 6), а полости 48 изолированы от выпускных окон 6 этими же дифференциальными клапанами 20, то давление воздуха отожмет шарики шариковых клапанов 24 в сторону пониженного давления (по часовой стрелке) и пройдет в полости 48.

Давление воздуха в полостях 48 стремится развернуть роторы в разные стороны, но роликовые муфты 16 внутреннего ротора и роликовые муфты 17 наружного ротора установлены так, что позволяют обоим роторам вращаться в одну сторону, например по часовой стрелке.

В этом случае внутренний ротор 11 с лопастями 12 начнет поворачиваться по часовой стрелке, а наружный ротор 13 будет неподвижным.

Т. к. внутренний ротор 7 компрессора и внутренний ротор 11 двигателя соединены между собой (соединены и наружные роторы), то в полостях 47 компрессора будет разряжение и воздух через впускные каналы 2, отверстия 22 и полости 19 будет всасываться в полости компрессора 47, а в полостях 46 давление будет возрастать, шарик шарикового золотника 23 будет отжат против часовой стрелки и воздух из полостей 46 через выпускные каналы 3 будет давить на клапаны 27.

Когда давление воздуха в полостях 46 превысит давление пускового воздуха, клапаны 27 открываются и воздух из полостей 46 компрессора проходит к камере сгорания 30, одновременно через форсунку 31 подается топливо, которое воспламеняется свечой 34.

Давление в камере сгорания 30 возрастает, возрастает крутящий момент внутреннего ротора двигателя и передаваемый им крутящий момент на компрессор и одновременно крутящий момент передается через роликовую муфту 41 наружной обойме 43 и выходному валу 44.

Вращение внутренних роторов будет происходить до соприкосновения шариков шариковых золотников 24 двигателя с дифференциальными клапанами 20, при этом шарики сдвинутся против часовой стрелки и газ из камеры сгорания 30 через каналы 5 пойдет в полости 49, а дифференциальные клапаны 20 сдвинутся по часовой стрелке и полости 49 будут замкнуты, давление в них будет повышаться, а полости 48 будут сообщаться через полости 21 с выпускными каналами 6, будет происходить выхлоп газа отработавшего в полостях 48.

Давление в полостях 49 будет затормаживать внутренние роторы 11, но в обратную сторону им не позволяют повернуться роликовые муфты 16, а наружные роторы 13 под действием давления газа на лопасти 14 будут поворачиваться по часовой стрелке и в полостях 47 компрессора будет происходить сжатие воздуха, шарики шариковых клапанов 23 сдвинутся по часовой стрелке, а дифференциальные клапаны 18 сдвинутся против часовой стрелки.

Давление воздуха из полостей 47 через шариковые золотники 23 и каналы 3 будет поступать через обратные клапаны 27 в полость камеры сгорания 30.

Вращение наружных роторов через роликовые муфты 42 будет передаваться наружной обойме 43 и выходному валу 44.

Таким образом поочередное вращение внутренних и наружных роторов будет передаваться через роликовые муфты 41 или 42 выходному валу 44 с вентилятором 45.

Показанный на фиг.4, 5, 6 газороторный двигатель с двухступенчатым компрессором запускается аналогичным образом как и газороторный двигатель с одноступенчатым компрессором.

При вращении внутренних роторов (двигателя и компрессора) например по часовой стрелке, расположенные в лопастях 51 (фиг.4, 5, 6) первой ступени компрессора шарики золотников 52 отжимаются под действием давления воздуха в полостях 65 против часовой стрелки, а дифференциальные клапаны 59 в лопастях 58 наружного ротора отожмутся по часовой стрелке.

В полости 66 из впускных окон 2 всасывается атмосферный воздух, а сжимаемый воздух в полостях 65 проходит через каналы 53 к дифференциальным клапанам 54 второй ступени компрессора и, т.к. в полостях 67 также происходит сжатие воздуха, а в полостях 68 расширение, то из каналов 53 воздух через дифференциальные клапаны 54 проходит в полости 68.

Сжатый же воздух в полостях 67 проходит через шариковые золотники 6 и каналы 56 через обратные клапаны 27 в полость с цилиндром 28 и через клапаны 29 к камере сгорания 30.

Двигатель работает аналогично вышеописанному газороторному двигателю с одноступенчатым компрессором.

В предлагаемом устройстве газороторного двигателя рабочие процессы происходят поочередно: то с одной стороны, то с другой стороны лопастей, т. е. газороторный двигатель - двойного действия.

Перекладка шариков в золотниках и дифференциальных клапанов в связи с их малыми габаритами и массой будет происходить с большой скоростью, причем в компрессоре масса шариков и клапанов способствует их ускоренному срабатыванию, а в двигателе они имеют меньшие размеры и большое давление также способствует их ускоренному срабатыванию, что обеспечивает практически непрерывную подачу воздуха из компрессора в камеру сгорания и при непрерывной подаче топлива процесс сгорания будет происходить непрерывно аналогично камере сгорания газотурбинных двигателей или двигателей внешнего сгорания с большим коэффициентом избытка воздуха, что обеспечивает большую полноту сгорания, а следовательно, экономичность и экологичность двигателя.

В предлагаемом газороторном двигателе отсутствует кривошипно-шатунный механизм или ротор аналогичный двигателю Ванкеля, что обеспечивает малые удельные габариты и массу.

В отличие от двигателя Ванкеля рабочая площадь лопастей в предлагаемом двигателе при одинаковых габаритах значительно больше, чем рабочая площадь ротора Ванкеля, рабочие процессы происходят поочередно с двух сторон лопастей, т.е. двигатель двойного действия, что обеспечивает значительно большую удельную мощность, каждый ротор может иметь по 2...4 уплотнительных элемента, которые не испытывают знакопеременных ускорений как в двигателе Ванкеля, что обеспечивает значительно больший ресурс.

По предлагаемому устройству газороторного двигателя разработан эскизный проект опытного двигателя мощностью ≈60 л.с. с одноступенчатым компрессором с использованием роликовых муфт с двухскоростного привода двигателя Р13-300 и камеры сгорания 207.14.3.0130СБ с пускового устройства аксиально-поршневого двигателя (изделия 207) разработки ФГУП "НПП"Мотор".

Двигатель с двухступенчатым компрессором может работать при эффективном давлении от 2,5 до ≈8 МПа (25...80 кгс/см²), чего нет ни в одном из известных двигателей (максимальное давление в двухконтурных двигателях Н.Д.Климова 37 кгс/см², а в поршневых дизелях с противоположно движущимися поршнями эффективное давление 22 кгс/см²).

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторным двигателям с переменной скоростью вращения лопастей. Техническим результатом является повышение удельных показателей двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что внутренние роторы компрессора и двигателя, а также их наружные роторы соединены между собой. Согласно изобретению компрессор имеет дифференциальные клапаны в лопастях наружного ротора, соединенные с впускным каналом и шариковые золотники в лопастях внутреннего ротора с радиальными каналами, направленными к оси и имеющими обратные клапаны. В осевой полости расположен цилиндр с каналами подвода воздуха к камере сгорания, а внутренние и наружные роторы имеют роликовые муфты с неподвижной наружной обоймой и роликовые муфты с наружной обоймой, соединенной с выходным валом двигателя. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Газороторный двигатель, содержащий компрессор и двигатель с впускными и выпускными каналами, причем каждый выполнен из двух роторов с лопастями, один из которых - внутренний, с лопастями, направленными наружу, второй ротор - наружный, с лопастями, направленными внутрь, причем внутренние роторы компрессора и двигателя соединены между собой, соединены между собой и наружные роторы, при этом каждый ротор имеет роликовую муфту, компрессор и двигатель снабжены дифференциальными клапанами, размещенными на двигателе в лопастях наружного ротора и соединенными с выпускным каналом, двигатель снабжен также шариковыми золотниками, размещенными в лопастях внутреннего ротора с радиальными каналами, отличающийся тем, что компрессор имеет дифференциальные клапаны в лопастях наружного ротора, соединенные с впускным каналом, и шариковые золотники в лопастях внутреннего ротора с радиальными каналами, направленными к оси и имеющими обратные клапаны, а в осевой полости расположен цилиндр с каналами подвода воздуха к камере сгорания с форсункой подвода топлива, свечой воспламенения, каналами отвода газа из камеры сгорания к шариковым золотникам двигателя и соединенной через обратный клапан с каналами подвода пускового воздуха, внутренние и наружные роторы имеют роликовые муфты с неподвижной наружной обоймой и роликовые муфты с наружной обоймой, соединенной с выходным валом газороторного двигателя.2. Газороторный двигатель по п.1, отличающийся тем, что компрессор может быть выполнен двухступенчатым, обе ступени разделены кольцом с закрепленными на нем лопастями внутреннего ротора первой ступени, направленными наружу, в которых расположены шариковые золотники, соединенные каналами с дифференциальными клапанами в лопастях второй ступени, направленными внутрь, в которых расположены шариковые золотники, соединенные выпускными каналами с полостью цилиндра и камерой сгорания, а лопасти первой ступени наружного ротора имеют дифференциальные клапаны, внутренние полости которых соединены с впускными каналами, а лопасти наружного ротора компрессора второй ступени соединены с крышками наружного ротора и имеют уплотнение с кольцом и цилиндрической частью внутреннего ротора.