Роторный двигатель коловратного типа Российский патент 2024 года по МПК F02G1/04 F01C1/14 F01C1/36 

Роторный двигатель коловратного типа относится к двигателестроению, а именно к роторным двигателям коловратного типа с внешним подводом теплоты к рабочему телу. Наиболее близким по технической сущности и решаемой задачи к предлагаемому изобретению по п. 1 формулы изобретения является патент RU №2463456. Коловратная машина, содержащая цилиндрический корпус с впускными и выпускными окнами, в котором установлены с возможностью вращения цилиндрический ротор с лопастями и кинематически связанные с ним ролики с выемками, периодически взаимодействующие посредством последних с лопастями и разделяющие пространство между корпусом и роторам на большую и меньшую кольцевые полости. Полости сообщены между собой, по крайней мере, одним каналом перепуска, центральный угол между входным и выходным окнами которого не больше центрального угла между лопатками, а центральный угол между впускным окном корпуса и входным окном канала не меньше разности центрального угла между лопатками и угловой ширины конца лопатки.

В данной коловратной машине пар поступает в рабочую камеру непрерывно при постоянном давлении и при этом часть его объема консервируется в выемках роликов, что приводит к увеличению расхода пара на создание крутящего момента и снижению КПД машины.

Из описания и иллюстраций изобретения не понятен механизм взаимодействия между роликами и ротором, с помощью которого происходит выпуск пара, изменение объемов рабочих камер и их герметизация, при наличии трехлопастного ротора и роликов с двумя выемками каждый.

Наиболее близким по технической сущности и решаемой задачи к предлагаемому изобретению по п. 2 и 3 формулы изобретения является патент РФ №2255235. Этот роторный двигатель, с внешним подводом теплоты, содержит два рабочих цилиндра, с обкатывающимися по внутренней рабочей поверхности цилиндров роторами, расположенными на одном эксцентриковом валу, а также нагреватель, холодильник и теплообменник. Рабочие цилиндры выполнены с разными рабочими объемами, причем полость нагнетания малого цилиндра соединена каналом с полостью расширения большого цилиндра через теплообменник и нагреватель, а полость расширения малого цилиндра соединена каналом с полостью нагнетания большого цилиндра через теплообменник и охладитель.

В этом двигателе рабочее тело поступает в полость расширения большого цилиндра двигателя непрерывно при непрерывном нагреве. Температура и давление рабочего тела в полости расширения и в полости нагнетания большого цилиндра при этом практически не изменяются и участие в производстве механической работы не принимают. Подводимое к рабочему телу тепло расходуется, главным образом, на увеличение его внутренней энергии. По приведенным причинам повышение КПД двигателя сомнительно.

Задачей данного изобретения является усовершенствование конструкции двигателя с целью повышения его КПД, удельной мощности и функциональных возможностей.

Сущность изобретения заключается в том, что в двигателе коловратного типа с внешним подводом теплоты к рабочему телу, содержащий корпус с впускными и выпускными каналами рабочего тела, в корпусе установлены, с возможностью вращения, цилиндрический ротор с лопастями и, диаметрально противоположно расположенные относительно оси вращения ротора, ролики с выемками, кинематически связанные с ротором и разделяющие пространство между корпусом и ротором на две полукольцевые полости, каждая из которых разделяется соответствующей лопастью на камеры впуска и выпуска рабочего тела, изменяющие свои объемы при вращении ротора, а также крышки, закрывающие полости корпуса и скрепленные с ним, лопасти ротора и выемки роликов выполнены таким образом, что образуют элементы зубчатой передачи, между ротором и крышками расположены скрепленные с ротором кольца, одно из которых по крайней мере, снабжено каналами, которые при вращении ротора периодически соединяют каналы впуска рабочего тела с камерами впуска рабочего тела, причем каналы в кольцах размещены сзади каждой лопасти ротора на минимальном расстоянии от нее, каналы впуска и выпуска рабочего тела диаметрально противоположно расположены и равно удалены от оси вращения ротора, а также повернуты относительно плоскости, в которой расположены оси вращения ротора и роликов, соответственно, на угол а по ходу вращения ротора и на угол Р против хода вращения ротора.

По п. 2 формулы изобретения двигатель коловратного типа содержит емкость охлаждения рабочего тела, насос, приводимый в действие вращением кинематически связанного с ним ротора, обратный клапан, емкость наполнения рабочим телом и теплоприемник, которые соединены последовательно между собой и, соответственно, с каналами впуска и выпуска.

По п. 3 формулы изобретения, емкость наполнения состоит по меньшей мере из трех секций, сообщающихся каналами между собой и соответственно с обратным клапаном и теплоприемником, причем емкость наполнения, при использовании тепла сгорания топлива, снабжена дымовыми каналами, проходящими через упомянутые секции для охлаждения в секциях рабочим телом.

На Фиг. 1, 2 показана общая схема двигателя по п. 1 формулы изобретения, содержащей корпус 1 с каналами впуска 2 и каналами выпуска 3 рабочего тела. В корпусе установлены с возможностью вращения цилиндрический ротор 4 с лопастями и диаметрально противоположно расположенные относительно оси вращения ротора ролики 5 с выемками /Фиг. 2/. Ролики кинематически связанные с ротором и разделяют пространство между корпусом и ротором на две полукольцевые полости 6 /Фиг. 2/, каждая из которых разделяется соответствующей лопастью на камеру впуска 7 и камеру выпуска 8 рабочего тела /Фиг. 5, 6/, изменяющие свои объемы при вращении ротора 4. Полость корпуса закрыта с двух сторон скрепленными с ним крышками 9 /Фиг. 4/. При этом лопасти ротора и выемки роликов выполнены таким образом, что образуют элементы зубчатой передачи. Между ротором 4 и крышками 9 расположены скрепленные с ротором кольца 10 /Фиг.4/, снабженные каналами 11 /Фиг. 3, 5/, которые при вращении ротора периодически соединяют каналы впуска 2 рабочего тела с камерами впуска рабочего тела 7 /Фиг. 5/, обеспечивая при этом подачу в камеры впуска 7 порции рабочего тела высокого давления. Каналы 11 в кольцах размещены сзади каждой лопасти ротора на минимальном расстоянии от нее. Каналы впуска 2 и выпуска 3 рабочего тела расположены диаметрально противоположно, равноудалены от оси вращения ротора, а также повернуты относительно плоскости, в которой расположены оси вращения ротора и роликов, соответственно, на угол α по ходу вращения ротора и на угол β против хода вращения ротора /Фиг. 2/. Ролики 5 при вращении опираются на втулки 12 /Фиг. 3, 4/. Кольца 10, зубчатое колесо 13 и шестерни 14 закреплены соответственно на валах ротора и роликов, например, шпонками 15 /Фиг. 4/

На Фиг. 5, 6 показаны камеры впуска 7 и выпуска 8, а также расположение каналов 11 и впадин роликов 5 при разных углах поворота ротора.

Лопасти ротора и впадины роликов, выполненные в виде элементов зубчатой передачи, позволяют снизить вредный объем между впадинами и лопастями во время их взаимного сцепления. Каналы впуска 2, повернутые относительно плоскости, в которой расположены оси вращения роликов и ротора, на угол α по ходу вращения ротора, а каналы выпуска 3 на угол β против вращения ротора обеспечивают периодическое разделение и герметизацию камер впуска 7 и камер выпуска 8 в рабочем цикле двигателя. Каналы 11 в кольцах, размещенные сзади каждой лопасти ротора с минимальным расстоянием от нее, обеспечивают более ранний впуск рабочего тела высокого давления в камеры впуска 7.

На Фиг. 7 показана общая схема двигателя по п. 2 формулы изобретения, содержащего емкость охлаждения рабочего тела 16, насос 17, приводимый в действие вращением кинематически связанного с ним ротора 4, обратный клапан 18, емкость наполнения рабочим телом 19 и теплоприемник 20, которые соединены последовательно между собой и, соответственно, с каналами впуска 2 и каналами выпуска 3. Насос 17 обеспечивает замкнутую циркуляцию рабочего тела в двигателе путем подачи его с емкости охлаждения 16 через клапан 18 в емкость наполнения 19. Обратный клапан 18 позволяет сохранить давление рабочего тела в емкости 19 и в теплоприемнике 20.

На Фиг. 8 показана общая схема двигателя по п. 3 формулы изобретения, содержащего секционную емкость наполнения21, состоящую по меньшей мере из трех секций 22, сообщающихся каналами 23 между собой и, соответственно, с обратным клапаном 18 и теплоприемником 20. Емкость наполнения 21, при использовании тепла сгорания топлива, снабжена дымовыми каналами 24, проходящими через упомянутые секции для охлаждения в секциях рабочим телом.

Роторный двигатель коловратного типа по п. 1 формулы изобретения, общая схема которого изображена на Фиг. 1-6 работает следующим образом. Рабочее тело высокого давления, подведенное к каналам впуска 2, при вращении ротора 4 каждые полуоборота ротора порциями поступает в камеры впуска 7 через каналы11 в кольцах 10 /Фиг. 3, 5, 6/, где расширяясь создает крутящий момент на валу двигателя, теряя при этом температуру и давление, а затем переходит в камеру выпуска 8, где лопастями ротора 4 вытесняется наружу Фиг. 6. Цикл работы двигателя повторяется.

Роторный двигатель по п. 2 формулы изобретения, общая схема которого показана на Фиг. 7, работает следующим образом. При подведении источника тепла к теплоприемнику 20 рабочее тело в нем нагревается, а давление в емкости наполнения 19 и в теплоприемнике 20 возрастает. Из-за сопротивления в передаче тепла между теплоприемником 20 и емкости наполнения 19 рабочее тело в них нагревается с существенным перепадом температур. Рабочее тело в теплоприемнике 20, нагретое до более высокой температуры, поступает в каналы впуска 2, где при вращении ротора порциями с каждым полуоборотом ротора подается через каналы 11 в кольцах 10 в камеры впуска 7. В камерах пуска 7 рабочее тело расширяясь создает крутящий момент на валу двигателя, теряя при этом температуру и давление, затем переходит в камеры выпуска 8, где вытесняется лопастями ротора 4 в емкость охлаждения 16 и насосом 17 через обратный клапан 18 подается в емкость наполнения 19, совершив круговую замкнутую циркуляцию рабочего тела в двигателе. Цикл работы двигателя повторяется. В емкости охлаждения 16 рабочее тело при необходимости охлаждается принудительно.

Роторный двигатель по п. 3 формулы изобретения, общая схема которого показана на Фиг. 8 работает аналогичным образом, как двигатель по п. 2 формулы изобретения. При подведении тепла к теплоприемнику 20 давление рабочего тела в нем и в секциях 22 емкости наполнения 21 возрастает. Из-за сопротивления в передаче тепла между теплоприемником 20 и между секциями 22 рабочее тело нагревается в теплоприемнике и в каждой секции с существенным перепадом температур. Наибольших температур рабочее тело достигает в теплоприемнике 20, а наименьших в одной из наиболее удаленной от теплоприемника секции 22. Рабочее тело в теплоприемнике 20, нагретое до более высокой температуры, поступает в каналы впуска 2, где при вращении ротора с каждым полуоборотам ротора порциями поступает через каналы 11 в кольцах 10 в камеры впуска 7. В камерах впуска 7 рабочее тело расширяясь создает крутящий момент на валу двигателя, теряя при этом температуру и давление, затем переходит в камеры выпуска 8, где вытесняется лопастями ротора 4 в емкость охлаждения 16 и насосом 17 через обратный клапан 18 подается в секционную емкость наполнения 21, совершив круговую замкнутую циркуляцию рабочего тела в двигателе. Цикл работы двигателя повторяется. При использовании тепла сгорания топлива продукты сгорания проходят через дымовые каналы 24, отдавая тепло рабочему телу. При этом, благодаря разности температур рабочего тела в секциях 22 охлаждение продуктов сгорания происходит более интенсивно.

Перечень принятых обозначений на чертежах.

1 - корпус; 2 - каналы впуска; 3 - каналы выпуска; 4 - цилиндрический ротор; 5 - ролики; 6 - полукольцевые полости; 7 - камеры впуска; 8 - камеры выпуска; 9 - крышки; 10 - кольца; 11 - каналы в кольцах; 12 - втулки; 13 - зубчатое колесо; 14 - шестерни; 15 - шпонки; 16 - емкость охлаждения; 17 - насос; 18 - обратный клапан; 19 - емкость наполнения; 20 - теплоприемник; 21 - емкость наполнения секционная; 22 - секции; 23 - каналы сообщения между секциями; 24 - дымовые каналы.

Изобретение относится к двигателестроению. Роторный двигатель коловратного типа с внешним подводом теплоты к рабочему телу содержит корпус с впускными (2) и выпускными (3) каналами рабочего тела. В корпусе установлены с возможностью вращения цилиндрический ротор (4) с лопастями и диаметрально противоположно расположенные относительно оси вращения ротора (4) ролики (5) с выемками, кинематически связанные с ротором (4) и разделяющие пространство между корпусом и ротором (4) на две полукольцевые полости (6). Каждая полость (6) разделяется соответствующей лопастью на камеры впуска и выпуска рабочего тела. Крышки закрывают полости корпуса и скрепленные с ним. Лопасти ротора (4) и выемки роликов (5) выполнены таким образом, что образуют элементы зубчатой передачи. Между ротором (4) и крышками расположены скрепленные с ротором кольца, снабженные каналами (11) с возможностью соединения каналов впуска (2) с камерами впуска. Каналы (11) размещены сзади каждой лопасти ротора (6). Раскрыто расположение каналов впуска и выпуска рабочего тела. Технический результат заключается в повышении КПД и удельной мощности двигателя. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Роторный двигатель коловратного типа с внешним подводом теплоты к рабочему телу, содержащий корпус с впускными и выпускными каналами рабочего тела, в корпусе установлены, с возможностью вращения, цилиндрический ротор с лопастями и диаметрально противоположно расположенные относительно оси вращения ротора ролики с выемками, кинематически связанные с ротором и разделяющие пространство между корпусом и ротором на две полукольцевые полости, каждая из которых разделяется соответствующей лопастью на камеры впуска и выпуска рабочего тела, изменяющие свои объемы при вращении ротора, а также крышки, закрывающие полости корпуса и скрепленные с ним, отличающийся тем, что лопасти ротора и выемки роликов выполнены таким образом, что образуют элементы зубчатой передачи, между ротором и крышками расположены скрепленные с ротором кольца, снабженные, по крайней мере одно из них, каналами, которые при вращении ротора периодически соединяют каналы впуска рабочего тела с камерами впуска рабочего тела, причем каналы в кольцах размещены сзади каждой лопасти ротора на минимальном расстоянии от нее, каналы впуска и выпуска рабочего тела диаметрально противоположно расположены и равноудалены от оси вращения ротора, а также повернуты относительно плоскости, в которой расположены оси вращения ротора и роликов, соответственно, на угол α по ходу вращения ротора и на угол β против хода вращения ротора.

2. Роторный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что содержит емкость охлаждения рабочего тела, насос, приводимый в действие вращением кинематически связанного с ним ротора, обратный клапан, емкость наполнения рабочим телом и теплоприемник, которые соединены последовательно между собой и, соответственно, с каналами впуска и выпуска.

3. Роторный двигатель по п. 2, отличающийся тем, что емкость наполнения состоит по меньшей мере из трех секций, сообщающихся каналами между собой и, соответственно, с обратным клапаном и с теплоприемником, причем емкость наполнения, при использовании тепла сгорания топлива, снабжена дымовыми каналами, проходящими через упомянутые секции для охлаждения в секциях рабочим телом.