Устройство для преобразования тепловой энергии в механическую Российский патент 2024 года по МПК F02G1/04 F01C1/18 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к двигателям внешнего сгорания.

Известен двигатель Стерлинга типа α, состоящий из двух взаимно перпендикулярных цилиндров - горячего и холодного, содержащих внутри себя поршни, шарнирно соединенные с шатунами, которые в свою очередь шарнирно соединены с общей шатунной шейкой коленчатого вала, что обеспечивает движение поршней в цилиндрах со сдвигом по фазе на 90°. Этот тип двигателя особенно эффективен при использовании низко потенциальных источников тепла таких как, геотермальные и тепловые аккумуляторы работающие совместно с возобновляемыми источниками энергии такими как солнечные панели и ветровые электростанции (информационный ресурс: https://wiki.zr.ru/%D0%94%D0%B2%D0%B8%D0 %B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C_%D0%A1%D1%82%D0%B8%D1%80%D0 %BB%D0%B8%D0%BD%D0%B3%D0%B0).

К недостаткам аналога относятся: сложность конструкции и значительные боковые нагрузки, воздействующие на стенки цилиндров при наклонном положении шатунов, что ведет к повышенным потерям на трение и износу боковых поверхностей цилиндров и поршней.

Известен роторный двигатель внешнего сгорания (Патент РФ №2785179, МПК: F02B 55/02 (2006.01), опубл. 05.12.2022 Бюл. №34), содержащий по меньшей мере два ротора, каждый из которых представляет собой соединенные центрами две половины цилиндров разного диаметра и одинаковой высоты, где обе стороны большего полуцилиндра имеют форму эвольвенты до окружности малого цилиндра, позволяющей роторам быть в постоянном контакте при взаимном вращении с одинаковой угловой скоростью либо плоскостями, находящимися на окружностях полуцилиндров, либо эвольвентами, заключены внутри статора и образуют роторную пару, две роторные пары образуют роторный блок, вращаясь, роторы образуют между собой и статором поочередно полости изменяющейся конфигурации, заполненные рабочим газом, которые соединены друг с другом каналами в корпусе таким образом, что при нагревании этого газа в какой-либо полости в ней создается повышенное давление, а при охлаждении - пониженное, передача тепловой энергии рабочему газу происходит через стенки корпуса и статоров, открытие и закрытие отверстий в каналах производится стенками самих роторов.

По наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при использовании результату данное техническое решение выбрано в качестве прототипа заявляемого изобретения.

К недостаткам аналога относятся: низкая тепловая эффективность, вследствие того, что корпус роторного блока, представляющий собой единое целое и передает тепло от нагретой части к охлаждаемой, при этом вращающиеся роторы поочередно контактируют с нагретым и охлажденным газом, а нагретые роторы соприкасаются с охлажденными роторами; низкая механическая эффективность, обусловленная тем, что крутящий момент на разных фазах вращения создается только на одной эвольвентной поверхности одного ротора либо за счет давления нагретого газа, либо за счет снижения давления охлаждаемого газа - это следует из анализа работы прототипа иллюстрируемой на рис. 1-5 патента; затраты энергии на работу синхронизирующих шестерен, а также для синхронизации вращения роторов прототипа требуется как минимум две шестерни насаженные на валы диагонально расположенных роторов.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, состоит в повышении тепловой эффективности предлагаемого устройства.

Для достижения указанного технического результата в устройстве для преобразования тепловой энергии в механическую, содержащем две роторные пары, каждая из которых помещена в свой статор, парные роторы обеих пар входят в соприкосновение друг с другом с возможностью вращения с одинаковой угловой скоростью, корпус устройства снабжен отверстиями для впуска и выпуска рабочего газа, статоры разделены на нижний и верхний параллельные друг другу, впускные и выпускные отверстия расположены в серединах боковых стенок статоров, к впускному отверстию верхнего статора подсоединен нагреватель, к которому подсоединен подводящий канал Z-образной формы, противоположный конец которого подсоединен к выпускному отверстию нижнего статора, отводящий канал Z-образной формы соединяет выпускное отверстие верхнего статора с впускным отверстием нижнего статора, прямолинейные участки подводящего и отводящего каналов помещены в теплообменник, расположенный между статорами, верхний статор покрыт теплоизоляцией, нижний статор снабжен ребрами, верхние и нижние роторы выполнены в форме шестерен с зубьями эвольвентного профиля одинакового диаметра, верхние и нижние роторы попарно жестко соединены валами, ширина зубчатых венцов верхних роторов превышает ширину зубчатых венцов нижних роторов на величину пропорциональную разности температур рабочего газа на входе в верхний статор и на выходе из нижнего статора.

Отличительными признаками предлагаемой конструкции являются:

- разделение статоров на нижний и верхний параллельные друг другу;

- размещение впускных и выпускных отверстий в середине боковых стенок верхнего и нижнего статоров;

- подсоединение к впускному отверстию верхнего статора нагревателя;

- подсоединение к нагревателю подводящего канала Z-образной формы, противоположный конец которого подсоединен к выпускному отверстию нижнего статора;

- соединение с помощью отводящего канала Z-образной формы выпускного отверстия верхнего статора с впускным отверстием нижнего статора;

- размещение прямолинейных участков подводящего и отводящего каналов в теплообменнике, который расположен между верхним и нижним статорами;

- покрытие верхнего статора теплоизоляцией;

- выполнение нижнего статора с ребрами;

- выполнение верхних и нижних роторов в форме шестерен с зубьями эвольвентного профиля одинакового диаметра;

- попарное жесткое соединение верхних и нижних роторов валами;

- выполнение зубчатых венцов верхних роторов шириной превышающей ширину зубчатых венцов нижних роторов на величину пропорциональную разности температур рабочего газа на входе в верхний статор и на выходе из нижнего статора.

Благодаря наличию этих признаков отличных от прототипа значительно повышается тепловая эффективность предлагаемого устройства за счет устранения непроизводительных потерь тепла. Кроме этого (того) повышается плавность работы и скорость вращения роторов, а также снижается уровень шума.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-4.

На фиг. 1 показан разрез нижнего статора плоскостью перпендикулярной осям вращения роторов.

На фиг. 2 - разрез верхнего статора плоскостью перпендикулярной осям вращения роторов.

На фиг. 3 - разрез устройства плоскостью параллельной осям вращения роторов расположенной посередине между ними.

На фиг. 4 - разрез устройства плоскостью проходящей через оси вращения роторов.

Устройство для преобразования тепловой энергии в механическую содержит нижний статор 1, верхний статор 2, нижние роторы 3, верхние роторы 4, валы 5, впускные отверстия 6, выпускные отверстия 7, нагреватель 8, подводящий канал 9 Z-образной формы, отводящий канал 10 Z-образной формы, теплообменник 11.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Источник тепла, например, горячая вода из теплоаккумулятора запасающего энергию солнечной или ветровой электростанций, либо от геотермального источника, нагревает рабочий газ в нагревателе 8, который увеличиваясь в объеме, поступает через впускное отверстие 6 в полость верхнего статора 2 и приводит во вращение верхние роторы 4 в направлении, показанном стрелками (фиг. 1, 2, 3). Далее горячий газ через выпускное отверстие 7 в попадает в отводящий канал 10 Z-образной формы двигаясь по которому через теплообменник 11 отдает часть своей энергии холодному газу, следующему из охлаждаемого нижнего статора 1 по подводящему каналу 9 Z-образной формы в нагреватель 8.

Для того чтобы охлажденный в нижнем статоре 1 рабочий газ мог преодолеть давление нагретого в нагревателе 8 газа ширина зубчатых венцов нижних роторов 3 должна быть меньше ширины зубчатых венцов верхних роторов 4 на величину зависящую от разности температур газа в нагревателе 8 и на выходе из нижнего статора 1.

Для интенсификации охлаждения нижнего статора 1 он может быть снабжен ребрами, а на валы 5, соединяющие верхние 3 и нижние 4 роторы могут быть надеты вентиляторы. Для снижения тепловых потерь верхний статор 2 покрывают теплоизоляцией. Прямолинейные участки подводящего 9 и отводящего 10 каналов помещены в теплообменник 11 с теплоизолирующей рубашкой.

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к двигателям внешнего сгорания роторного типа. Изобретение направлено на повышение тепловой эффективности предложенного устройства. Предложенное устройство для преобразования тепловой энергии в механическую содержит две роторные пары (3 и 4), каждая из которых помещена в свой статор (1 и 2). Парные роторы обеих пар входят в соприкосновение друг с другом с возможностью вращения с одинаковой угловой скоростью. Впускные (6) и выпускные (7) отверстия для впуска и выпуска рабочего газа расположены в серединах боковых стенок статоров (1 и 2). К впускному отверстию (6) верхнего статора (2) подсоединен нагреватель (8), к которому подсоединен подводящий канал (9) Z-образной формы, противоположный конец которого подсоединен к выпускному отверстию (7) нижнего статора (1). Отводящий канал (10) Z-образной формы соединяет выпускное отверстие (7) верхнего статора (2) с впускным отверстием (6) нижнего статора (1). Прямолинейные участки подводящего (9) и отводящего (10) каналов помещены в теплообменник (11), расположенный между статорами (1 и 2). Верхний статор (2) покрыт теплоизоляцией, нижний статор (1) снабжен ребрами для интенсификации его охлаждения. Верхние (4) и нижние (3) роторы выполнены в форме шестерен с зубьями эвольвентного профиля одинакового диаметра и попарно жестко соединены валами (5). Ширина зубчатых венцов верхних роторов (4) превышает ширину зубчатых венцов нижних роторов (3) на величину, пропорциональную разности температур рабочего газа на входе в верхний статор (2) и на выходе из нижнего статора (1). 4 ил.

Устройство для преобразования тепловой энергии в механическую, содержащее две роторные пары (3 и 4), каждая из которых помещена в свой статор (1 и 2) соответственно, парные роторы обеих пар входят в соприкосновение друг с другом с возможностью вращения с одинаковой угловой скоростью, корпус устройства снабжен отверстиями (6 и 7) для впуска и выпуска рабочего газа, отличающееся тем, что статоры разделены на нижний (1) и верхний (2), параллельные друг другу, впускные (6) и выпускные (7) отверстия расположены в серединах боковых стенок статоров (1 и 2), к впускному отверстию (6) верхнего статора (2) подсоединен нагреватель (8), к которому подсоединен подводящий канал (9) Z-образной формы, противоположный конец которого подсоединен к выпускному отверстию (7) нижнего статора (1), отводящий канал (10) Z-образной формы соединяет выпускное отверстие (7) верхнего статора (2) с впускным отверстием (6) нижнего статора (1), прямолинейные участки подводящего (9) и отводящего (10) каналов помещены в теплообменник (11), расположенный между статорами (1 и 2), верхний статор (2) покрыт теплоизоляцией, нижний статор (1) снабжен ребрами, верхние (4) и нижние (3) роторы выполнены в форме шестерен с зубьями эвольвентного профиля одинакового диаметра, верхние (4) и нижние (3) роторы попарно жестко соединены валами (5), ширина зубчатых венцов верхних роторов (4) превышает ширину зубчатых венцов нижних роторов (3) на величину, пропорциональную разности температур рабочего газа на входе в верхний статор (2) и на выходе из нижнего статора (1).