ПАРОВОЙ РОТОРНО-ЛОПАСТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2013 года по МПК F01C1/344 F03C2/30 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к роторно-лопастным двигателям, и может быть использовано в энергомашиностроении, тепловозостроении, судостроении, авиации и тракторо- и автомобилестроении.

Уровень техники

Известен роторно-лопастный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, внутренняя рабочая поверхность которого выполнена в виде прямого кругового цилиндра с двумя торцевыми крышками, ротор, эксцентрично установленный в корпусе и имеющий радиальные пазы, в которых установлены лопасти с возможностью перемещения в этих пазах и скольжения своими рабочими гранями по внутренней рабочей поверхности корпуса в процессе вращения ротора, а также системы топливоподачи и газообмена, при этом ротор и корпус выполнены сплошными из волокнистого углерод-углеродного композита или термостойкой керамики, лопасти - в виде пакета пластин из углеграфитовой композиции, а в теле ротора между пазами выполнены камеры сгорания в виде цилиндрических или сферических углублений (Патент RU №2011866 C1, M. кл. F02B 53/00, опубликовано 1990.04.30).

Признаки, являющиеся общими для известного и заявленного решений, заключаются в наличии цилиндрического корпуса, ротора с радиальными пазами, установленного в корпусе с возможностью вращения, и лопастей, установленных в радиальных пазах ротора с возможностью перемещения в этих пазах и скольжения своими рабочими гранями по внутренней рабочей поверхности корпуса в процессе вращения ротора, а также в наличии расположенных в стенке корпуса элементов подачи рабочего тела и элементов газообмена.

Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в том, что внутренняя рабочая поверхность корпуса выполнена в виде прямого кругового цилиндра, а ротор установлен с эксцентриситетом относительно оси симметрии внутренней рабочей поверхности корпуса, что является причиной существенной неуравновешенности внутренних сил двигателя.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является паровой роторно-лопастный двигатель, который содержит неподвижный полый корпус, внутренняя рабочая поверхность которого выполнена цилиндрической, ротор с радиальными пазами, установленный в корпусе соосно с внутренней рабочей поверхностью корпуса, при этом в роторе выполнены пазы, которые расположены равномерно по окружности ротора, лопасти, установленные в радиальных пазах ротора с возможностью перемещения в этих пазах и скольжения своими рабочими гранями по внутренней рабочей поверхности корпуса в процессе вращения ротора, а также элементы подачи пара и элементы отвода пара, расположенные в стенке корпуса (Описание изобретения к патенту RU №2361089 C1, M. кл. F01C 1/32, F02B 53/02, F02B 55/08, F02B 55/16, опубликовано 10.07.2009).

Признаки, являющиеся общими для известного и заявленного решений, заключаются в наличии корпуса, внутренняя рабочая поверхность которого выполнена цилиндрической, установленного в корпусе ротора, в котором выполнены радиальные пазы, расположенные равномерно по окружности ротора, лопастей, установленных в пазах с возможностью перемещения в этих пазах и скольжения своими рабочими гранями по внутренней рабочей поверхности корпуса в процессе вращения ротора, источника пара, а также расположенных в стенке корпуса элементов подачи пара, соединенные с источником пара, и расположенных в корпусе элементы отвода пара.

Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в том, что элементы подачи пара установлены радиально, вследствие чего подаваемый через них пар не создает турбинного эффекта.

Сущность изобретения

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в увеличении мощности двигателя на высоких скоростях вращения ротора.

Технический результат, опосредствующий решение указанной задачи, заключается в подаче дополнительного пара с высокой скоростью потока в направлении касательной к цилиндрической поверхности ротора.

Достигается технический результат тем, что роторно-лопастный двигатель содержит неподвижный полый корпус, внутренняя рабочая поверхность которого выполнена цилиндрической, ротор, который установлен в корпусе и в котором выполнены радиальные пазы, расположенные равномерно по окружности ротора, лопасти, установленные в указанных пазах с возможностью перемещения в этих пазах и скольжения своими рабочими гранями по внутренней рабочей поверхности корпуса в процессе вращения ротора, источник пара, элементы подачи пара, расположенные в стенке корпуса и соединенные с источником пара, элементы отвода пара, расположенные в корпусе, а также по крайней мере одно сопло Лаваля, которое соединено с источником пара и установлено в стенке корпуса наклонно к радиусу ротора с возможностью создания турбинного эффекта.

Достигается технический результат также тем, что источник пара выполнен в виде последовательно соединенных конденсатора, водяного бака, генератора пара высокого давления, ресивера и управляемого контроллером распределительного клапана, при этом к выходам распределительного клапана подсоединены элементы подачи пара и сопла Лаваля, а к входам конденсатора подсоединены элементы отвода пара.

Достигается технический результат также тем, что генератор пара высокого давления содержит корпус с по крайней мере одной топочной камерой, по крайней мере один водонагреватель, расположенный в топочной камере, и по крайней мере одно горелочное устройство, установленное с возможностью нагрева воды в водонагревателе, при этом горелочное устройство представляет собой сопло Лаваля, работающее на водяном топливе.

Достигается технический результат также тем, что на входе горелочного устройства установлена форсунка для подачи в него воды или водяного пара и электроды для создания электрической дуги, предназначенной для диссоциации этой воды.

Достигается технический результат также тем, что горелочное устройство содержит по крайней мере одно дополнительное сопло Лаваля, образующее с упомянутым соплом, являющимся основным, линейную цепь сопел Лаваля, в которой основное сопло является первым и в которой выход предыдущего сопла цепи соединен с входом одного последующего сопла цепи, так что геометрические размеры последующего сопла цепи превышают геометрические размеры предыдущего сопла цепи.

Достигается технический результат также тем, что горелочное устройство содержит по крайней мере два дополнительных сопла Лаваля, образующих с упомянутым соплом, являющимся основным, разветвленную цепь сопел Лаваля, в которой основное сопло является первым и в которой выход предыдущего сопла цепи соединен с входами двух последующих сопел цепи.

Новые признаки заявленного технического решения заключаются в том, что двигатель содержит по крайней мере одно сопло Лаваля, которое соединено с источником пара и установлено в стенке корпуса наклонно к радиусу ротора с возможностью создания турбинного эффекта.

Новые признаки также заключаются в том, что упомянутый источник пара содержит последовательно соединенные конденсатор, водяной бак, генератор пара высокого давления, ресивер и управляемый контроллером распределительный клапан, к выходам которого подсоединены элементы подачи пара и сопла Лаваля, а элементы отвода пара соединены с входами конденсатора.

Новые признаки также заключаются в том, что генератора пара высокого давления содержит корпус с по крайней мере одной топочной камерой, по крайней мере один водонагреватель, расположенный в топочной камере, и по крайней мере одно горелочное устройство, установленное с возможностью нагрева воды в водонагревателе, при этом горелочное устройство представляет собой сопло Лаваля, работающее на водяном топливе и содержащее установленную на входе форсунку для подачи воды или водяного пара и электроды для создания электрической дуги, предназначенной для диссоциации этой воды.

Новые признаки также заключаются в том, что горелочное устройство содержит по крайней мере одно дополнительное сопло Лаваля, образующее с упомянутым соплом, являющимся основным, линейную цепь сопел Лаваля, в которой основное сопло является первым и в которой выход предыдущего сопла цепи соединен с входом одного последующего сопла цепи, так что геометрические размеры последующего сопла цепи превышают геометрические размеры предыдущего сопла цепи.

Новые признаки также заключаются в том, что горелочное устройство содержит по крайней мере два дополнительных сопла Лаваля, образующих с упомянутым соплом, являющимся основным, разветвленную цепь сопел Лаваля, в которой основное сопло является первым и в которой выход предыдущего сопла цепи соединен с входами двух последующих сопел цепи.

Перечень фигур чертежей

На фиг.1 схематично показан заявленный паровой роторно-лопастный двигатель; на фиг.2, 3 - варианты выполнения генератора пара высокого давления; на фиг.4, 5, 6 - варианты выполнения горелки, используемой в генераторе пара.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Двигатель содержит: неподвижный полый корпус 1, внутренняя поверхность 2 которого выполнена цилиндрической (с торцов корпус закрыт крышами); ротор 3, который выполнен в виде прямого кругового цилиндра с четырьмя радиальными пазами 4; четыре лопасти 5, установленные в упомянутых пазах 4 с возможностью перемещения в этих пазах и скольжения своими рабочими гранями по внутренней поверхности 2 корпуса 1; два элемента 6 подачи пара, установленные в корпусе так, что подаваемый через них пар не создает турбинного эффекта (установлены радиально); два сопла Лаваля 7, установленные в корпусе наклонно к радиусу ротора, так что ось каждого сопла Лаваля ориентирована в направлении соответствующей касательной к цилиндрической поверхности ротора; элементы 8 отвода пара. Кроме того, двигатель содержит соединенные последовательно конденсатор пара 9, водяной бак 10, генератор пара высокого давления 11, ресивер 12 и управляемый контроллером 14 распределитель пара 13. В свою очередь входы конденсатора 9 соединены с выходами элементов 8 отвода пара, а выходы распределителя пара 13 соединены с входами элементов 6 подачи пара и входами сопел Лаваля 7.

В примере, показанном на прилагаемой фигуре, ротор 3 установлен в корпусе 1 соосно с его внутренней цилиндрической поверхностью 2. Пазы 4 и, соответственно, лопасти 5 расположены равномерно по окружности поперечного сечения ротора 3. Минимальное число лопастей четыре. В этом случае угол между любыми двумя смежными лопастями составляет 90°, а угол между противоположными лопастями составляет 180°. Элементы 6 подачи пара установлены в корпусе 1 в вершинах малой оси эллипса рабочей поверхности 2. Сопла Лаваля 7 установлены в корпусе 1 со смещением от элементов 6 на угол, не превышающий 45° в направлении вращения ротора 3. Элементы 8 отвода пара установлены в корпусе 1 со смещением от элементов 6 на угол, не превышающий 45° в направлении, противоположном вращению ротора 3 (направление вращения показано на фиг. дугообразной стрелкой). Кроме того, элементы подачи пара 6 установлены радиально, т.е. с возможностью радиальной подачи пара, так что подаваемый пар не создает динамического (турбинного) эффекта, а сопла Лаваля 7 своими осями установлены наклонно к радиусам ротора, так что ось каждого сопла Лаваля ориентирована в направлении соответствующей касательно к цилиндрической поверхности ротора 3 для создания динамического (турбинного) эффекта. Количество лопастей 5 может быть больше четырех, но обязательно четным. Лопасти 5 должны располагаться равномерно по окружности поперечного сечения ротора 3. При этом лопасти 5 установлены в пазах 4 с подпружиниванием в направлении от оси ротора. Данное подпружинивание обеспечивается установкой в пазах 4 соответствующих пружин (не показаны) и/или подачей в пазы 4 газа под давлением.

Представленный выше пример парового роторно-лопастного двигателя характеризуется выполнением внутренней рабочей поверхности корпуса цилиндрической с образующей в виде эллипса. При этом ротор установлен соосно с корпусом, что обеспечивает сбалансированность сил. Однако такой вариант двигателя не является единственно возможным в объеме заявленной формулы. Возможен, например, вариант, в котором внутренняя рабочая поверхность корпуса (статора) выполнена в виде кругового цилиндра, а ротор установлен со смещением его оси относительно оси корпуса. Возможно также выполнение внутренней рабочей поверхности корпуса со сложной направляющей, как это представлено в описании изобретения по упомянутому выше патенту RU №2361089.

В двигателе используется генератор пара высокого давления 11, который содержит корпус 15 и две топочные камеры 16 и 17 (фиг.2). В топочной камере 16 установлен водонагреватель 18, выполненный в виде змеевика, горелочное устройство 19 и предохранительный клапан 20. В топочной камере 17 установлен водонагреватель 21, выполненный в виде бака, и горелочное устройство 22. При этом выход водонагревателя 21 посредством трубопровода соединен с входом змеевика 18, предназначенного для генерирования водяного пара высокого давления.

Генератор, показанный на фиг.3, отличается от генератора на фиг.2 тем, что содержит канал 23, связывающий топочные камеры 16 и 17 между собой; при этом генератор содержит только одно горелочное устройство 19.

Каждое горелочное устройство (19 и 22) имеет три варианта исполнения.

В первом варианте исполнения (фиг.4) горелочное устройство представляет собой сопло Лаваля 24 (основное сопло), работающее на водяном топливе. При этом на входе (на входном торце) сопла 24 уставлена форсунка 25 для подачи воды или водяного пара, а также установлены электроды 26 (катод, анод), предназначенные для их подключения к источнику тока высокого напряжения (источник тока не показан).

Во втором варианте исполнения (фиг.5) горелочное устройство содержит упомянутое основное сопло 24 и, по крайней мере, одно дополнительное сопло Лаваля 27, образующее с основным соплом 24 линейную цепь сопел Лаваля. В этой цепи основное сопло 24 является первым, причем выход предыдущего сопла (в данном случае сопла 24) соединен с входом одного последующего сопла (в данном случае сопла 27), так что геометрические размеры последующего сопла превышают геометрические размеры предыдущего сопла. При этом дополнительное сопло 27 содержит форсунку 28 для подачи в него дополнительной воды или водяного пара.

В третьем варианте исполнения (фиг.6) горелочное устройство содержит основное сопло 24 с разделителем 29 для разделения выхода этого сопла на два выходных канала и, по крайней мере, два дополнительных сопла Лаваля 27(1) и 27(2), образующее с основным соплом 24 разветвленную цепь сопел Лаваля, в которой основное сопло 24 является первым и в которой выходные каналы предыдущего сопла (в данном случае сопла 24) соединены с входами двух последующих сопел (в данном случае сопел 27(1) и 27(2)). При этом дополнительные сопла 27(1) и 27(2) содержат соответствующие форсунки 28(1) т 28(2) для подачи в дополнительные сопла дополнительной воды или водяного пара.

Работа двигателя заключается в следующем.

В исходном положении ротора 3 (как показано на фиг.) его противоположно направленные лопасти должны располагаться между соответствующими элементами 6 подачи пара и соответствующими элементами 8 отвода пара, так чтобы элементы 6 находились между соответствующими смежными лопастями 5, а элементы отвода пара 8 при этом не должны находиться между теми же соответствующими смежными лопастями. При этом пространство между смежными лопастями 5 образует одну рабочую камеру (назовем ее первой), а пространство между другими смежными лопастями 5 образует другую рабочую камеру. Если указанное условие начального расположения лопастей в момент пуска двигателя не выполнено, то стартером (не показан) обеспечивается принудительный поворот ротора 3 для обеспечения упомянутого расположения лопастей. В таком положении ротора 3 посредством элементов 6 осуществляют радиальную подачу пара во внутреннюю полость корпуса 1 с двух сторон этого корпуса в два рабочих пространства.

Пар, находящийся под высоким давлением в первой и второй рабочих камерах, оказывает разное давление на смежные лопасти каждой рабочей камеры благодаря эллиптической форме поверхности 2 в ее поперечном сечении и по этой причине разной выдвинутости смежных лопастей. Возникающие в результате этого разности давлений заставляют ротор вращаться по часовой стрелке. При повороте ротора 3 на угол 90° первая по ходу вращения лопасть каждой рабочей камеры переходит точку расположения соответствующего элемента отвода пара 8, вследствие чего пар из каждой рабочей камеры свободно выходит через элементы отвода 8 и поступает в конденсатор 9. Далее цикл повторяется. При этом в конденсаторе пар конденсируется, а образовавшаяся таким образом вода поступает в водяной бак 10, в котором она накапливается. Из бака 10 вода поступает в генератор пара высокого давления 11, из которого образовавшийся там пар поступает в ресивер 12, где он накапливается под большим давлением. Из ресивера пар поступает в управляемый контроллером 14 распределитель пара 13, выходы которого соединены с соответствующим элементами подачи 6 и соплами Лаваля 7. В зависимости от необходимого режима работы двигателя контроллер 14 обеспечивает подачу пара либо только в элементы подачи 6 (обеспечение необходимой мощности двигателя при работе на малых оборотах), либо только в сопла Лаваля 7 (обеспечение необходимой мощности двигателя при работе на больших оборотах за счет турбинного эффекта), либо одновременно в элементы подачи бив сопла Лаваля 7 для дополнительного увеличения мощности двигателя.

Работа генератора пара заключается в следующем.

Вода (конденсат) непрерывно поступает в водонагреватель (бак) 21, где она нагревается при помощи горелочного устройства 22. Далее вода по внутреннему трубопроводу генератора пара поступает в змеевик 18, где она нагревается при помощи горелочного устройства 19, превращаясь тем самым в пар (фиг.2). В варианте генератора пара, представленного на фиг.3, нагревание воды в баке 21 и в змеевике 18 осуществляется при помощи одного горелочного устройства 19.

Каждое горелочное устройство (19 и 22) выполнено в виде сопла Лаваля. При этом в каждое сопло 24 при помощи форсунки 25 подают воду или водяной пар (фиг.4). Электроды 26 подключают к источнику тока высокого напряжения (не показан). В результате прохождения тока в сопле 24 происходит разложение воды на водород и кислород и последующее сгорание водорода с образованием плазмы, температура которой достигает 6000°C. Образующаяся в сопле 24 плазма поступает в соответствующую топочную камеру 16 и 17, где осуществляется нагрев этой плазмой водонагревателя (бака) 21, а также водонагревателя (змеевика) 18. В результате этого на выходе змеевика 18 образуется водяной пар. Клапан 20 осуществляет сброс лишнего давления из топочных камер.

Для увеличения мощности горелочное устройство (позиции 19, 22 на фиг.2 и 3) может быть выполнено в виде линейной (фиг.5) или разветвленной (фиг.6) цепи сопел Лаваля.

Работа горелочного устройства в вариантах, показанных на фиг.5 и 6, заключается в следующем.

Плазма, образующаяся в сопле Лаваля 24, поступает в следующее сопло 27 цепи сопел (фиг.5) или, будучи разделена на два потока разделителем 29 (фиг.6), одновременно в два следующих сопла 27(1) и 27(2).

В это следующее сопло (или два сопла) при помощи форсунки 28 (или форсунок 28(1) и 28(2)) поступает дополнительная вода (или водяной пар), которая под действием плазмы из сопла 24 разлагается на водород и кислород; при этом вновь образовавшийся водород также сгорает. В результате во втором сопле образуется дополнительная плазма, увеличивающая общий объем генерируемой плазмы. Таким образом, при небольших габаритах горелочное устройство позволяет на основе воды генерировать значительную тепловую мощность.

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в энергомашиностроении, тепловозостроении, судостроении, авиации, тракторо- и автомобилестроении. Двигатель содержит неподвижный полый корпус 1, ротор 3 с четырьмя радиальными пазами 4, четыре лопасти 5, элементы подачи пара 6, сопла Лаваля 7, элементы отвода пара 8, а также последовательно соединенные конденсатор пара 9, водяной бак 10, генератор пара высокого давления 11, ресивер 12 и распределитель пара 13, управляемый контроллером 14. Внутренняя поверхность 2 корпуса 1 выполнена цилиндрической. Ротор 3 выполнен в виде прямого кругового цилиндра. Лопасти 5 установлены в пазах 4 с возможностью перемещения в этих пазах и скольжения своими рабочими гранями по внутренней поверхности 2 корпуса 1. Элементы подачи пара 6 установлены в корпусе так, что подаваемый через них пар не создает турбинного эффекта. Сопла Лаваля 7 установлены в корпусе наклонно к радиусу ротора, так что ось каждого сопла Лаваля ориентирована в направлении соответствующей касательной к цилиндрической поверхности ротора. Входы конденсатора 9 соединены с выходами элементов 8 отвода пара. Выходы распределителя пара 13 соединены с входами элементов подачи пара 6 и входами сопел Лаваля 7. Изобретение направлено на увеличение мощности двигателя на высоких скоростях вращения ротора. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Паровой роторно-лопастный двигатель, содержащий неподвижный полый корпус, внутренняя рабочая поверхность которого выполнена цилиндрической, ротор, который установлен в корпусе и в котором выполнены радиальные пазы, расположенные равномерно по окружности ротора, лопасти, установленные в указанных пазах с возможностью перемещения в этих пазах и скольжения своими рабочими гранями по внутренней рабочей поверхности корпуса в процессе вращения ротора, источник пара, элементы подачи пара, расположенные в стенке корпуса и соединенные с источником пара, и элементы отвода пара, расположенные в корпусе, отличающийся тем, что он содержит по крайней мере одно сопло Лаваля, которое соединено с источником пара и установлено в стенке корпуса наклонно к радиусу ротора с возможностью создания турбинного эффекта, а источник пара выполнен в виде последовательно соединенных конденсатора, водяного бака, генератора пара высокого давления, ресивера и управляемого контроллером распределительного клапана, при этом к выходам распределительного клапана подсоединены элементы подачи пара и сопла Лаваля, а к входам конденсатора подсоединены элементы отвода.

2. Паровой роторно-лопастный двигатель по п.1, характеризующийся тем, что генератор пара высокого давления содержит корпус с по крайней мере одной топочной камерой, по крайней мере один водонагреватель, расположенный в топочной камере, и по крайней мере одно горелочное устройство, установленное с возможностью нагрева воды в водонагревателе, при этом горелочное устройство представляет собой сопло Лаваля, работающее на водяном топливе.

3. Паровой роторно-лопастный двигатель по п.2, характеризующийся тем, что на входе горелочного устройства установлена форсунка для подачи в него воды или водяного пара и электроды для создания электрической дуги, предназначенной для диссоциации этой воды.

4. Паровой роторно-лопастный двигатель по п.2, характеризующийся тем, что горелочное устройство содержит по крайней мере одно дополнительное сопло Лаваля, образующее с упомянутым соплом, являющимся основным, линейную цепь сопел Лаваля, в которой основное сопло является первым и в которой выход предыдущего сопла цепи соединен с входом одного последующего сопла цепи, так что геометрические размеры последующего сопла цепи превышают геометрические размеры предыдущего сопла цепи.

5. Паровой роторно-лопастный двигатель по п.4, характеризующийся тем, что на входе основного сопла цепи установлена форсунка для подачи в него воды или водяного пара и электроды для создания электрической дуги, предназначенной для диссоциации этой воды, а каждое дополнительное сопло цепи содержит форсунку для подачи в него дополнительной воды или водяного пара.

6. Паровой роторно-лопастный двигатель по п.2, характеризующийся тем, что горелочное устройство содержит по крайней мере два дополнительных сопла Лаваля, образующих с упомянутым соплом, являющимся основным, разветвленную цепь сопел Лаваля, в которой основное сопло является первым и в которой выход предыдущего сопла цепи соединен с входами двух последующих сопел цепи.

7. Паровой роторно-лопастный двигатель по п.6, характеризующийся тем, что на входе основного сопла цепи установлена форсунка для подачи в него воды или водяного пара и электроды для создания электрической дуги, предназначенной для диссоциации этой воды, а каждое дополнительное сопло цепи содержит форсунку для подачи в него дополнительной воды или водяного пара.