ДВИГАТЕЛЬ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2013 года по МПК F01K11/04 F28D15/02 F28D11/02 

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано, в частности, в качестве двигателя летательного аппарата (Л.А.).

Известно устройство под названием двигателя Стирлинга, преобразующее тепловую энергию в механическую энергию вращения вала [1].

К недостаткам указанного изобретения следует отнести сложность устройства, обусловленную использованием четырехзвенного кривошипно-шатунного механизма (КШМ).

В качестве прототипа выбрано устройство по патенту РФ №2056606 под названием "Преобразователь тепловой энергии в механическую работу" [2].

К недостаткам устройства-прототипа следует отнести большие массогабаритные характеристики, обусловленные низкоэффективной системой отвода тепла из конденсатора.

Целью настоящего изобретения является уменьшение массогабаритных характеристик двигателя, а также расширение его функциональных возможностей.

Суть изобретения заключается в следующем.

Для повышения эффективности теплообмена в районе конденсатора содержатся радиально установленные стержни, жестко закрепленные с корпусом двигателя. На стержни жестко крепятся конусные тарелки как внутри, так и снаружи герметичного корпуса. Конусные тарелки выполнены с развитой поверхностью теплообмена, например волнообразные. Со стороны вершины усеченного конуса установлен винт. Стержни и конусные тарелки выполнены из меди, или сплавов на ее основе.

Предложенное техническое решение значительно увеличивает эффективность отвода тепла от конденсатора, уменьшает его размеры, что в конечном виде приводит к достижению поставленной цели.

Изобретение поясняется чертежами.

На Фиг.1 представлен внешний вид двигателя (в разрезе).

На Фиг.2 представлен герметичный корпус со стержнями и конусными тарелками.

На Фиг.3 изображена конусная тарелка.

На Фиг.4 представлена турбина двигателя (увеличено).

На Фиг.5 изображен профиль конусной тарелки.

На Фиг.6 представлен вариант двигателя с использованием солнечной энергии.

Устройство двигателя внешнего сгорания.

Двигатель внешнего сгорания содержит герметичный корпус 1 в форме усеченного конуса, частично заполненный теплоносителем. Корпус содержит испаритель 2 и конденсатор 3. В корпусе содержится теплоизоляционное кольцо 4, являющееся элементом корпуса и жестко скрепленное как с испарительным участком 5, так и с конденсационным участком 6 корпуса двигателя. К теплоизоляционному кольцу жестко крепятся рабочие колеса 7 турбины с рабочими лопатками 8, охваченные ободом 9. Рабочие колеса турбины жестко крепятся к валу 10 двигателя. На вал установлены колеса 11 турбины с направляющими лопатками 12, охваченными ободом 13, представляющим собою внутренний кольцевой магнит. Ободья всех колес установлены с образованием кольцевого зазора 14 с корпусом. Колеса с направляющими лопатками установлены с возможностью вращения по отношению к валу - на подшипниках 15. Над внутренним кольцевым магнитом установлен внешний кольцевой магнит 16, жестко связанный с кожухом (корпусом) 17 Л.А. На вал двигателя жестко крепится винт 18. В корпусе двигателя, в зоне конденсации, содержатся стержни 19, на которых жестко закреплены конусные тарелки 20 волнообразного профиля, при этом как с внутренней, так и с наружной стороны корпуса. Вокруг испарителя расположена 2-х спиральная камера сгорания 21 с оппозитно расположенными форсунками 22.

При стационарном варианте применения двигателя, с использованием солнечной энергии, двигатель снабжен защитным кожухом 23, защищающим конденсатор от нагревания, спицами 24 для крепления кожуха, а также генератором 25. При этом винт выполняет функции и компрессора, и вентилятора.

С целью наглядности и упрощения рисунка, на Фиг.1 и на Фиг.6 внутренние и внешние конусные тарелки со стержнями не показаны.

Работа двигателя

При подаче топлива к форсункам 22, а также сжатого воздуха в 2-х спиральную камеру сгорания 21, происходит нагрев и испарение теплоносителя в испарителе 2. Пар под давлением поступает на рабочие лопатки 8 и направляющие лопатки 12 многоступенчатой турбины. Поскольку ободья 13 колес с направляющими лопатками зафиксированы от вращения с помощью магнитов 13 и 16, а рабочие колеса 7 жестко соединены (винтами) с корпусом 1, двигатель приходит во вращение. Теплоноситель в парообразном состоянии, пройдя через турбину, поступает в конденсатор 3, где охлаждается и переходит в жидкую фазу. Охлаждение происходит как за счет корпуса конденсатора, так и посредством внутренних конусных тарелок 20, жестко закрепленных на стержнях 19. Тепловой поток через стержни передается внешним конусным тарелкам, омываемым потоком воздуха, нагнетаемым винтом 18 в спиральную камеру сгорания 21.

Перейдя в жидкую фазу на внутренних конусных тарелках, теплоноситель осаждается на внутренней стенке конденсатора 3 и в виде тонкой пленки, под действием центробежных сил, возвращается в испаритель 2. Для этой цели между корпусом 1 и ободьями колес турбины 9 и 13 предусмотрен зазор 14. В испарителе теплоноситель вновь переходит в парообразное состояние и поступает на колеса турбин. Цикл замыкается.

Достоинства предложенного технического решения.

Любой тепловой двигатель должен содержать как минимум четыре устройства: 1. Источник энергии. 2. Тепловую машину. 3. Конденсатор. 4. Насос.

Обычно все эти устройства существуют самостоятельно, занимают большие площади и объем и соединены между собою сложной системой коммуникаций. В предложенном техническом решении все необходимые устройства объединены в одном мобильном агрегате, а функции насоса исполняет сам двигатель, корпус которого выполнен в виде конуса.

1. Задав необходимое значение конусности корпуса (угол α), а также число оборотов двигателя, можно гарантированно обеспечить надежный проход теплоносителя со встречными направлениями. А именно: в газообразном состоянии - из испарителя в конденсатор, проходя через турбину, а обратно, в жидком состоянии - из конденсатора в испаритель. При этом Л.А. с подобным двигателем, работа которого не зависит от ориентации в пространстве, может совершать любые фигуры высшего пилотажа.

2. Двигатель - всеядный, т.е. нетребовательный к качеству топлива. Форсунку можно настроить на любой вид топлива, при этом в жидком или газообразном виде. Двигатель может работать на солнечной энергии.

3. Высокая надежность двигателя обеспечивается его конструкцией, поскольку все подвижные детали заключены в герметичный корпус. Наличие двух оппозитно расположенных форсунок и 2-х спиральной камеры сгорания также способствует увеличению надежности работы Л.А.

4. Высокий КПД, поскольку тепло, перешедшее от конденсатора к внешним конусным тарелкам, утилизируется и дополнительно нагревает воздух, поступающий в камеру сгорания.

Источники информации

1. Политехнический словарь. Издательство "Советская энциклопедия", Москва, 1980 г. С.500-501. Ст."Стирлинга двигатель".

2. Патент РФ №2056606 с приоритетом от 21.01.93 г.

Двигатель внешнего сгорания содержит герметичный корпус в форме усеченного конуса, частично заполненный теплоносителем. Корпус содержит испаритель и конденсатор. В корпусе содержится теплоизоляционное кольцо, являющееся элементом корпуса, и жестко скрепленное как с испарительным участком, так и с конденсационным участком корпуса двигателя. К теплоизоляционному кольцу жестко крепятся рабочие колеса турбины с рабочими лопатками, охваченными ободом. Рабочие колеса турбины жестко крепятся к валу двигателя. На вал установлены колеса турбины с направляющими лопатками, охваченными ободом, представляющим собою внутренний кольцевой магнит. Ободья всех колес установлены с образованием кольцевого зазора с корпусом. Колеса с направляющими лопатками установлены с возможностью вращения по отношению к валу на подшипниках. Над внутренним кольцевым магнитом установлен внешний кольцевой магнит, жестко связанный с кожухом. На вал двигателя жестко крепится винт. В конденсаторе содержатся стержни, на которых жестко закреплены конусные тарелки волнообразного профиля как с внутренней, так и с наружной стороны корпуса. Вокруг испарителя расположена камера сгорания с форсунками. Достигается уменьшение массогабаритных характеристик двигателя, а также расширение его функциональных возможностей. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Двигатель внешнего сгорания, содержащий герметичный корпус в форме усеченного конуса, частично заполненный теплоносителем, корпус содержит испаритель и конденсатор, в корпусе содержится теплоизоляционное кольцо, являющееся элементом корпуса и жестко скрепленное как с испарительным участком, так и с конденсационным участком корпуса двигателя, к теплоизоляционному кольцу жестко крепятся рабочие колеса турбины с рабочими лопатками, охваченными ободом, рабочие колеса турбины жестко крепятся к валу двигателя, на вал установлены колеса турбины с направляющими лопатками, охваченными ободом, представляющим собой внутренний кольцевой магнит, ободья всех колес установлены с образованием кольцевого зазора с корпусом, колеса с направляющими лопатками установлены с возможностью вращения по отношению к валу - на подшипниках, над внутренним кольцевым магнитом установлен внешний кольцевой магнит, жестко связанный с кожухом, отличающийся тем, что на вал двигателя жестко крепится винт, в конденсаторе содержатся стержни, на которых жестко закреплены конусные тарелки волнообразного профиля, при этом как с внутренней, так и с наружной стороны корпуса, вокруг испарителя расположена камера сгорания с форсунками.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что вокруг испарителя расположена 2-спиральная камера сгорания.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что камера сгорания содержит 2 оппозитно расположенные форсунки.