ДВИГАТЕЛЬ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛА Российский патент 2008 года по МПК F02G1/00 

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к двигателям с внешним подводом тепла.

Известен двигатель с внешним подводом тепла, содержащий статор, уплотнительные элементы, профилированный трехгранный ротор, установленный внутри статора, имеющего квадратное сечение с образованием двух пар камер переменного объема, соединенных между собой перепускным трубопроводом, нагреватель, регенеративный теплообменник, и рабочий вал с шестерней, причем на внутренней поверхности ротора установлен зубчатый венец, взаимодействующий с шестерней, установленной на рабочем валу, а ось вращения рабочего вала смещена относительно центра ротора (см. авторское свидетельство СССР №1326751, МПК F02G 1/04, опубликованное 30.07.1987).

Недостаток известного технического решения заключается в повышенной величине трения между статором и ротором из-за выполнения профиля ротора трехгранным и квадратного сечения профиля статора.

Задачей и техническим результатом, на решение которого направлено заявленное изобретение, является повышение эффективности работы двигателя за счет снижения силы трения между ротором и статором.

Поставленная задача решается тем, что двигатель с внешним подводом тепла, содержащий статор, уплотнительные элементы, профилированный ротор, установленный внутри статора с образованием двух камер переменного объема, соединенных между собой перепускным трубопроводом, нагреватель, регенеративный теплообменник и рабочий вал с шестерней, причем на внутренней поверхности ротора установлен зубчатый венец, взаимодействующий с шестерней, установленной на рабочем валу, а ось вращения рабочего вала смещена относительна центра ротора, характеризуется согласно изобретению тем, что рабочий вал снабжен, по меньшей мере, одним роликом, взаимодействующим с внутренней поверхностью ротора, наружный профиль ротора образован тремя одинаковыми дугами больших секторов и тремя одинаковыми дугами малых секторов, дуги малых секторов размещены между дугами больших секторов и сопряжены с последними, причем радиусы больших секторов включают в себя стороны равностороннего треугольника, внутри которого вписана окружность с центром, совпадающим с центром ротора, и выходят за пределы равностороннего треугольника, радиусы малых секторов сходятся в вершинах равностороннего треугольника и совпадают с частями радиусов больших соседних секторов, выходящих за пределы равностороннего треугольника, радиус большого сектора больше радиуса малого сектора на величину стороны равностороннего треугольника, профиль внутренней поверхности статора образован овалом, внутренняя поверхность ротора, взаимодействующая с роликом рабочего вала, и делительная поверхность зубчатого венца эквидистантны наружному профилю ротора, а уплотнительные элементы расположены в статоре.

Двигатель может быть снабжен дополнительным рабочим валом с дополнительной шестерней и, по меньшей мере, одним дополнительным роликом, причем оси вращения рабочего вала и дополнительного рабочего вала параллельны между собой.

Первая камера переменного объема может быть снабжена впускным отверстием, сообщенным с атмосферой, и выпускным отверстием, сообщенным через перепускной трубопровод с впускным отверстием второй камеры переменного объема, причем выпускное отверстие второй камеры переменного объема через выпускной трубопровод сообщено с атмосферой, нагреватель расположен с возможностью нагрева части перепускного трубопровода и стенки статора второй камеры переменного объема, перепускной трубопровод и выпускной трубопровод размещены с возможностью образования между собой регенеративного теплообменника, а двигатель выполнен с возможностью работы по незамкнутому циклу.

Двигатель может быть снабжен холодильником и дополнительным перепускным трубопроводом, первая камера переменного объема снабжена впускным отверстием, сообщенным с выпускным отверстием второй камеры переменного объема через дополнительный перепускной трубопровод и выпускным отверстием, сообщенным с впускным отверстием второй камерой переменного объема, через перепускной трубопровод, причем нагреватель расположен с возможностью нагрева части перепускного трубопровода и стенки статора второй камеры переменного объема, перепускной трубопровод и дополнительный перепускной трубопровод размещены с возможностью образования между собой регенеративного теплообменника, холодильник размещен на дополнительном перепускном трубопроводе после регенеративного теплообменника, а двигатель выполнен с возможностью работы по замкнутому циклу.

На фиг.1 показан поперечный разрез двигателя, работающего по незамкнутому циклу;

на фиг.2 - поперечный разрез двигателя, работающего по замкнутому циклу;

на фиг.3 - продольный разрез двигателя;

на фиг.4 - профиль ротора двигателя.

Двигатель с внешним подводом тепла содержит статор 1, уплотнительные элементы 2, профилированный ротор 3, установленный внутри статора 1 с образованием двух камер 4 и 5 переменного объема, соединенных между собой перепускным трубопроводом 6, нагреватель 7 (горелку или электронагреватель), регенеративный теплообменник 8 и рабочий вал 9 с шестерней 10. На внутренней поверхности ротора 3 установлен зубчатый венец 11, взаимодействующий с шестерней 10, установленной на рабочем валу 9, ось вращения рабочего вала 9 смещена относительна центра О ротора 3. Рабочий вал 9 снабжен, по меньшей мере, одним роликом 12, взаимодействующим с внутренней поверхностью ротора 3.

Наружный профиль ротора 3 образован тремя одинаковыми дугами S_Б больших секторов и тремя одинаковыми дугами S_M малых секторов, дуги S_M малых секторов размещены между дугами S_Б больших секторов и сопряжены с последними. Радиусы R_Б больших секторов включают в себя стороны равностороннего треугольника АВС, внутри которого вписана окружность с центром, совпадающим с центром О ротора 3, и выходят за пределы равностороннего треугольника, радиусы R_M малых секторов сходятся в вершинах А, В и С равностороннего треугольника АВС и совпадают с частями радиусов R_Б больших соседних секторов, выходящих за пределы равностороннего треугольника АВС. Радиус R_Б большого сектора больше радиуса R_M малого сектора на величину стороны равностороннего треугольника АВС, т.е. R_Б-R_M=АВ=ВС=АС.

Профиль внутренней поверхности статора 1 образован овалом 13, а внутренняя поверхность ротора 3, взаимодействующая с роликом 12 рабочего вала 9, и делительная поверхность зубчатого венца 11 эквидистантны наружному профилю ротора 3. Уплотнительные элементы 2, выполненные, например, в виде подпружиненных пластин, расположены в статоре 1.

Благодаря указанному выполнению профиля, ротор 3 имеет возможность перекатывания по овалу 13 статора 1 с минимальной силой трения.

Двигатель может быть снабжен дополнительным рабочим валом 14 с дополнительной шестерней 15 и, по меньшей мере, одним дополнительным роликом 16, причем оси вращения рабочего вала 9 и дополнительного рабочего вала 14 параллельны между собой.

Двигатель может быть выполнен с возможностью работы по незамкнутому циклу, при этом первая камера 4 переменного объема снабжена впускным отверстием 17, сообщенным с атмосферой, и выпускным отверстием 18, сообщенным через перепускной трубопровод 6 с впускным отверстием 19 второй камеры 5 переменного объема, причем выпускное отверстие 20 второй камеры 5 переменного объема через выпускной трубопровод 21 сообщено с атмосферой, нагреватель 7 расположен с возможностью нагрева части перепускного трубопровода 6 и стенки статора 1 второй камеры 5 переменного объема, перепускной трубопровод 6 и выпускной трубопровод 21 размещены с возможностью образования между собой регенеративного теплообменника 8.

Двигатель может быть выполнен с возможностью работы по замкнутому циклу, при этом он снабжен холодильником 22, первая камера переменного объема 4 снабжена впускным отверстием 23, сообщенным с выпускным отверстием 24 второй камеры переменного объема 5 через дополнительный перепускной трубопровод 25 и выпускным отверстием 26, сообщенным с впускным отверстием 27 второй камеры 5 переменного объема, через перепускной трубопровод 6, причем нагреватель 7 расположен с возможностью нагрева части перепускного трубопровода 6 и стенки статора 1 второй камеры 5 переменного объема, перепускной трубопровод 6 и дополнительный перепускной трубопровод 25 размещены с возможностью образования между собой регенеративного теплообменника 8, а холодильник 22 размещен на дополнительном перепускном трубопроводе 25 после регенеративного теплообменника 8.

На рабочем валу 9 и дополнительном рабочем валу 14 могут быть установлены маховики 28, а ролики 12 и дополнительные ролики 16 могут взаимодействовать с внутренней поверхностью ротора 3 по выемкам 29.

Двигатель с внешним подводом теплоты работает по незамкнутому циклу следующим образом.

В первую камеру 4 переменного объема через впускное отверстие 17, открываемое ротором 3, из атмосферы всасывается воздух, который сжимается и вытесняется ротором 3 через выпускное отверстие 18 первой камеры 4 переменного объема в перепускной трубопровод 6. В перепускном трубопроводе 6 сжатый воздух нагревается в теплообменнике 8 от тепла отработанного воздуха предыдущего рабочего цикла во второй камере переменного объема 5, поступающего в регенеративный теплообменник 8 по выпускному трубопроводу 21, а также от нагревателя 7. Сжатый нагретый воздух из перепускного трубопровода 6 поступает через впускное отверстие 19 во вторую камеру 5 переменного объема, где дополнительно нагревается от нагревателя 7, после чего горячий воздух расширяется, обеспечивая поворот ротора 3. Отработанный воздух после расширения во второй камере 5 переменного объема через выпускное отверстие 20 поступает в выпускной трубопровод 21. В регенеративном теплообменнике 8 отработанный воздух в выпускном трубопроводе 21 передает тепло сжатому воздуху в перепускном трубопроводе 6, после чего выбрасывается в атмосферу. Далее рабочий цикл повторяется. При расширении горячего воздуха во второй камере 5 переменного объема давление горячего воздуха воздействует на ротор 3, заставляя поворачиваться последний. При повороте ротора 3 зубчатый венец 11 воздействует или на одну шестерню 10 рабочего вала 9, или на шестерню 10 рабочего вала 9 и дополнительную шестерню 15 дополнительного вала 14, вращая или один рабочий вал 9, или рабочий вал 9 и дополнительный вал 14. Маховики 28 снижают неравномерность вращения рабочего вала 9 и дополнительного рабочего вала 14.

При вращении ротор 3, благодаря своему профилю, перекатываясь по овалу 13 статора 1, имеет возможность открывать и закрывать впускные и выпускные отверстия камер переменного объема 4 и 5, обеспечивая цикл работы двигателя. Ролики 12 и 16, перекатываясь по выемкам 29 внутренней поверхности ротора, предотвращают перекос ротора при его вращении.

Двигатель с внешним подводом теплоты работает по замкнутому циклу следующим образом.

Отработанный воздух от предыдущего рабочего цикла во второй камере 5 переменного объема по дополнительному перепускному трубопроводу 25 поступает в регенеративный теплообменник 8, отдавая тепло сжатому воздуху в первой камере 4 переменного объема, после чего поступает в холодильник 22, где охлаждается и поступает через впускное отверстие 23 в первую камеру 4 переменного объема. Охлажденный воздух в первой камере 4 переменного объема сжимается и вытесняется через выпускное отверстие 26 в перепускной трубопровод 6. В перепускном трубопроводе 6 сжатый воздух нагревается в теплообменнике 8 от тепла отработанного воздуха предыдущего рабочего цикла во второй камере переменного объема 5, поступающего в регенеративный теплообменник 8 по дополнительному перепускному трубопроводу 25, а также от нагревателя 7.

Сжатый нагретый воздух из перепускного трубопровода 6 поступает через впускное отверстие 27 во вторую камеру 5 переменного объема, где дополнительно нагревается от нагревателя 7, после чего горячий воздух расширяется, обеспечивая поворот ротора 3. Отработанный воздух после расширения во второй камере 5 переменного объема через выпускное отверстие 24 поступает в дополнительный перепускной трубопровод 25. Далее рабочий цикл повторяется. При расширении горячего воздуха во второй камере 5 переменного объема давление горячего воздуха воздействует на ротор 3, заставляя поворачиваться последний. При повороте ротора 3 зубчатый венец 11 воздействует или на одну шестерню 10 рабочего вала 9, или на шестерню 10 рабочего вала 9 и дополнительную шестерню 15 дополнительного вала 14, вращая или один рабочий вал 9, или рабочий вал 9 и дополнительный вал 14. Маховики 28 снижают неравномерность вращения рабочего вала 9 и дополнительного рабочего вала 14.

При вращении ротор 3, благодаря своему профилю, перекатываясь по овалу 13 статора 1, имеет возможность открывать и закрывать впускные и выпускные отверстия камер переменного объема 4 и 5, обеспечивая цикл работы двигателя. Ролики 12 и 16, перекатываясь по выемкам 29 внутренней поверхности ротора, предотвращают перекос ротора при его вращении.

Таким образом, обеспечивается достижение указанного технического результата.

Двигатель с внешним подводом тепла содержит статор, уплотнительные элементы, профилированный ротор, установленный внутри статора с образованием двух камер переменного объема, соединенных между собой перепускным трубопроводом, нагреватель, регенеративный теплообменник и рабочий вал с шестерней. На внутренней поверхности ротора установлен зубчатый венец, взаимодействующий с шестерней, установленной на рабочем валу, а ось вращения рабочего вала смещена относительна центра ротора. Рабочий вал снабжен, по меньшей мере, одним роликом, взаимодействующим с внутренней поверхностью ротора. Наружный профиль ротора образован тремя одинаковыми дугами больших секторов и тремя одинаковыми дугами малых секторов. Дуги малых секторов размещены между дугами больших секторов и сопряжены с последними. Радиусы больших секторов включают в себя стороны равностороннего треугольника, внутри которого вписана окружность с центром, совпадающим с центром ротора, и выходят за пределы равностороннего треугольника. Радиусы малых секторов сходятся в вершинах равностороннего треугольника и совпадают с частями радиусов больших соседних секторов, выходящих за пределы равностороннего треугольника. Радиус большого сектора больше радиуса малого сектора на величину стороны равностороннего треугольника. Профиль внутренней поверхности статора образован овалом. Внутренняя поверхность ротора, взаимодействующая с роликом рабочего вала, и длительная поверхность зубчатого венца эквидистантны наружному профилю ротора, а уплотнительные элементы расположены в статоре. Технический результат заключается в повышении эффективности работы двигателя за счет снижения силы трения между ротором и статором. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Двигатель с внешним подводом тепла, содержащий статор, уплотнительные элементы, профилированный ротор, установленный внутри статора с образованием двух камер переменного объема, соединенных между собой перепускным трубопроводом, нагреватель, регенеративный теплообменник и рабочий вал с шестерней, причем на внутренней поверхности ротора установлен зубчатый венец, взаимодействующий с шестерней, установленной на рабочем валу, а ось вращения рабочего вала смещена относительна центра ротора, отличающийся тем, что рабочий вал снабжен, по меньшей мере, одним роликом, взаимодействующим с внутренней поверхностью ротора, наружный профиль ротора образован тремя одинаковыми дугами больших секторов и тремя одинаковыми дугами малых секторов, дуги малых секторов размещены между дугами больших секторов и сопряжены с последними, причем радиусы больших секторов включают в себя стороны равностороннего треугольника, внутри которого вписана окружность с центром, совпадающим с центром ротора, и выходят за пределы равностороннего треугольника, радиусы малых секторов сходятся в вершинах равностороннего треугольника и совпадают с частями радиусов больших соседних секторов, выходящих за пределы равностороннего треугольника, радиус большого сектора больше радиуса малого сектора на величину стороны равностороннего треугольника, профиль внутренней поверхности статора образован овалом, внутренняя поверхность ротора, взаимодействующая с роликом рабочего вала и делительная поверхность зубчатого венца эквидистантны наружному профилю ротора, а уплотнительные элементы расположены в статоре.2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что снабжен дополнительным рабочим валом с дополнительной шестерней и, по меньшей мере, одним дополнительным роликом, причем оси вращения рабочего вала и дополнительного рабочего вала параллельны между собой.3. Двигатель по любому из пп.1-2, отличающийся тем, что первая камера переменного объема снабжена впускным отверстием, сообщенным с атмосферой, и выпускным отверстием, сообщенным через перепускной трубопровод с впускным отверстием второй камеры переменного объема, причем выпускное отверстие второй камеры переменного объема через выпускной трубопровод сообщено с атмосферой, нагреватель расположен с возможностью нагрева части перепускного трубопровода и стенки статора второй камеры переменного объема, перепускной трубопровод и выпускной трубопровод размещены с возможностью образования между собой регенеративного теплообменника, а двигатель выполнен с возможностью работы по незамкнутому циклу.4. Двигатель по любому из пп.1-2, отличающийся тем, что снабжен холодильником и дополнительным перепускным трубопроводом, первая камера переменного объема снабжена впускным отверстием, сообщенным с выпускным отверстием второй камеры переменного объема через дополнительный перепускной трубопровод и выпускным отверстием, сообщенным с впускным отверстием второй камерой переменного объема через перепускной трубопровод, причем нагреватель расположен с возможностью нагрева части перепускного трубопровода и стенки статора второй камеры переменного объема, перепускной трубопровод и дополнительный перепускной трубопровод размещены с возможностью образования между собой регенеративного теплообменника, холодильник размещен на дополнительном перепускном трубопроводе после регенеративного теплообменника, а двигатель выполнен с возможностью работы по замкнутому циклу.