Тепловой двигатель регулируемой мощности и рекуперированием энергии Советский патент 1992 года по МПК F02G1/04 F02G1/06 

вой аккумулятор 16 соединен контуром циркуляции промежуточного теплоносителя с установленным в нем другим регулирующим клапаном 15 с камерой холодильника 7. Использование высокотемпературного и низкотемпературного тепловых аккумуляторов, регулирующих клапанов и управляющей муфты позволяет осуществить плавное регулирование мощности и рекуперирование энергии, что приводит к повышению экономичности двигателя. 2 з. п. ф-лы, 6 ил.

Использование: двигателестроение для привода транспортного средства, а также как холодильная машина регулируемой производительности или тепловой насос, в дви- гателях с замкнутым циклом и для регулирования двигателей. Сущность изобретения: тепловой двигатель содержит 72 8 23 5 1 VV ЕИля же ои- ля оит 8 21 первый 1 и второй 2 роторно-статорные блоки, камеру нагревателя 5, регенераторы 12, камеру холодильника 7, первую 3 и вторую 4 полуоси, высокотемпературный 19 и низкотемпературный 16 тепловые аккумуляторы, два регулирующих клапана 15 и 18, управляющую муфту 20, причем первая и вторая полуоси установлены в первом и втором роторно-статорных блоках и связаны управляющей муфтой, которая через зубчатый ремень 21 связана с управляющим элек- троприводом 22, высокотемпературный тепловой аккумулятор 19 соединен контуром циркуляции промежуточного теплоносителя с установленным в нем одним регулирующим клапаном 18 с камерой нагревателя 5, а низкотемпературный тепло - LVVfcf--- r . П1

Изобретение относится к двигателест- роению для привода транспортных средств и, кроме того, может использоваться как холодильная машина регулируемой производительности или как тепловой насос, а также в двигателях с замкнутым циклом и для регулирования двигателей.

Известен тепловой двигатель регулируемой мощности и рекуперированием энергии, содержащий первый и второй роторно-статор- ные блоки с радиальными лопатками, камеру нагревателя с топливными форсунками, регенераторы, камеру холодильника с воздушной турбиной, теплообменник подогрева воздуха, связанный с камерой нагревателя, стартовый нагнетатель воздуха в камеру нагревателя.

Недостатком известного двигателя является невозможность осуществления рекуперирования энергии и одновременного плавного регулирования мощности, что снижает экономичность двигателя.

Целью изобретения является повышение экономичности двигателя путем плавного регулирования мощности и рекуперирования энергии.

С этой целью двигатель снабжен первой и второй полуосями, высокотемпературным и низкотемпературным тепловыми аккумуляторами, двумя регулирующими клапана- ми, управляющей муфтой, управляющим приводом с зубчатым ремнем, причем первая и вторая полуоси установлены в первом и втором роторно-статорных блоках и связаны управляющей муфтой, которая через зуб- чатый ремень связана с управляющим электроприводом, высокотемпературный тепловой аккумулятор соединен контуром циркуляции промежуточного теплоносителя с установленным в нем регулирующим клапаном с камерой нагревателя, а низкотемпературный тепловой аккумулятор соединен контуром циркуляции промежуточного теплоносителя с установленным в нем другим регулирующим клапаном с камерой холо- дильника, управляющая муфта содержит вращающуюся обойму, два набора шариковых подшипников, смещающийся винт, неподвижную по продольному смещению относительно полуосей гайку, причем наружная поверхность вращающейся обоймы связана через один набор шариковых подшипников со смещающимся винтом, установленным внутри неподвижной по продольному смещению относительно полуосей гайки, соединенной с помощью зубчатого ремня с управляющим электроприводом, на цилиндрических поверхностях первой и второй полуосей выполнены наклонные канавки, имеющие противоположный наклон, внутри канавок установлен другой набор шариковых подшипников, связанных с внутренней поверхностью вращающейся обоймы с помощью прямой кольцевой канавки, между поверхностью роторов и лопатками установлен роликовый подшипник.

На фиг. 1 приведена принципиальная конструктивная схема теплового двигателя регулируемой мощности и рекуперированием энергии; на фиг. 2 - управляющая муфта, схематический разрез; на фиг. 3 - роторно- статорный блок; на фиг. 4 - разрез А-А на фиг. 3; на фиг. 5 - трубы холодильника и нагревателя, контактирующие с трубами циркуляции промежуточного теплоносителя, разрез; на фиг. 6 - схематическое положение роторов для случая максимальной положительной и максимальной отрицательной мощности.

Тепловой двигатель содержит первый 1 и второй 2 роторно-статорные блоки, соединенные с помощью первой 3 и второй 4 полуосей, камеру 5 нагревателя с топливными форсунками 6, камеру 7 холодильника с воздушной турбиной 8, закрепленной на второй полуоси 4, соединенную отводным воздушным каналом 9 через теплообменник

10подогрева воздуха с камерой нагревателя 5. Секции труб холодильника 11 соединены через регенераторы 12 с секциями труб нагревателя 13. Секции труб холодильника

11контактируют с трубами циркуляции холодного промежуточного теплоносителя 14, которые через регулирующий клапан 15 соединены с низкотемпературным тепловым аккумулятором 16, Секции труб нагревателя

13 контактируют с трубами циркуляции горячего промежуточного теплоносителя 17, которые через регулирующий клапан 18 соединены с высокотемпературным тепловым аккумулятором 19. Первая 3 и вторая 4 полуоси соединены между собой с помощью управляющей муфты 20, соединенной зубчатым ремнем 21 с управляющим электроприводом 22. К камере 5 нагревателя примыкает канал подачи воздуха от стартового нагнетателя 23. Входные газы из камеры 5 нагревателя проходят через теплообменник 10 подогрева воздуха в выходной канал 24 отработанных газов. Камера 7 холодильника соединена с входным каналом 25 воздушного охлаждения, холодный воздух из которого обдувает секции труб холодильника 11 и радиатор 26, примыкающий к второму роторно-статорному блоку 2. Огибая аэродинамическую перегородку 27, холодный воздух разгоняется воздушной турбиной 8, повторно обдувает секции труб холодильника 11 и через выходной канал 28 выводится из двигателя. В каналах 25 и 28 охлаждающего воздуха расположены заслонки 29, управляемые синхронно, а в отводном воздушном канале 9 - управляемая заслонка 30. Управляющая муфта 20 содержит вращающуюся обойму 31, связанную через один набор шариковых подшипников 32 с винтовой парой, состоящей из смещающего винта 33 и неподвижной по продольному смещению относительно полуосей 3 и 4 гайки 34, связанной с помощью зубчатого ремня 21 с управляющим электроприводом 22. На цилиндрических поверхностях полуосей выполнены наклонные канавки 35 и 36, имеющие противоположный наклон. В канавки 35 и 36 установлен другой набор шариковых подшипников 37, расположенных в прямых кольцевых канавках, выполненных на внутренней цилиндрической поверхности вращающейся обоймы 31. Роторно-ста- торные блоки 1 и 2 содержат радиальные лопатки 38, перемещающиеся в пазах, выполненных в торцовых стенках статора 39. В лопатках 38 выполнен паз, в который при вращении ротора 40 входит внешняя обойма 41 роликового подшипника. Трущиеся поверхности обоймы 41 и лопаток 38 покрыты слоем твердой смазки 42 на основе би- сульфита молибдена или вольфрама. Лопатки 38 прижимаются к внешней обойме роликового подшипника 41 качения с помощью пружины 43, уплотнение зазора между ротором и статором осуществляется с помощью концентрических уплотняющих колец 44 из антифрикционного материала. Секции труб нагревателя 11 и холодильника 13 контактируют с трубами 14 и 17 циркуляции промежуточного теплоносителя таким

0 образом, что трубы с теплоносителем окружены с четырех сторон трубами нагревателя или холодильника, холодный воздух или горячие газы проходят через щели 45 между трубами секций.

5 Тепловой двигатель регулируемой мощности и рекуперированием энергии работает следующим образом.

При пуске двигателя включается стартовый нагнетатель 23, который по каналу подает воздух в камеру 5 нагревателя. Горячее, выбрасываемое из форсунок 6, воспламеняется и осуществляет нагрев секций труб нагревателя 13, которые через стенку статора 39 соединены с полостями, образованными лопатками 38 и внешней поверхностью обоймы роликового подшипника 41 качения. Соответствующая секция труб холодильника 11 соединена через стенку статора 38 второго роторно-статорного блока 2

0 с аналогичной противоположной полостью. Первоначально роторы в .роторно-статор- ных блоках 1 и 2 установлены так, что при вращении роторов по часовой стрелке изменение объемов полостей в первом роторно5 статорном блоке 1 опережает по фазе изменение объемов по втором роторно-ста- торном блоке 2 (фиг, 66). Поскольку первый роторно-статорный блок 1 сопряжен с камерой 5 нагревателя, то при таким соотноше0 нии фаз изменения объемов горячих и холодных полостей тепловой двигатель работает как преобразователь тепловой энергии в механическую. При горении топлива в камере нагревателя теплота передается ра5 бочему телу, находящемуся в секциях труб и полостях роторно-статорных блоков. В качестве рабочего тела можно, например, использовать гелий под давлением до 20 МПа. При нагревании газа его давление повыша0 ется, но повышается оно неравномерно по окружности полостей роторно-статорного блока 1. Происходит это потому, что противоположный ротор занимает развернутое положение и количество рабочего тела не5 равномерно распределяется по горячим и холодным полостям. В тех полостях, где массовое распределение рабочего тела смещено в сторону горячих полостей, внутреннее давление полостей существенно

0 превышает давление в полостях с противоположным распределением рабочего тела. Давление рабочего тела, направленное перпендикулярно внешней поверхности обоймы роликового подшипника 41 качения, за

5 счет эксцентриситета ротора образует момент, который не может быть уравновешен контрмоментом, поэтому ротор проворачивается, но ситуация от этого не меняется,

поскольку картина неравномерного распределения давления по полостям поворачивается синхронно с разворотом ротора. В такой ситуации роторы начинают разгоняться и при некоторой скорости напор, созда- ваемый воздушной турбиной 8, достаточен для нагнетания воздуха в камеру сгорания. В этом случае стартовый нагнетатель 23 отключается, а управляемая заслонка 30 открывается, и воздушный поток по каналу 9 через теплообменник 10 предварительного подогрева воздуха подается в камеру 5 нагревателя, что выгодней с точки зрения энергетики двигателя. Камера 7 холодильника имеет воздушное охлаждение. По входному каналу 25 воздушного охлаждения охлаждающий воздух засасывается в камеру 7 холодильника, где отнимает теплоту от секций труб холодильника 11, от радиатора 26, имеющего тепловой контакт со вторым роторно-статорным блоком 2. Далее охлаждающий воздух огибает аэродинамическую перегородку 27, попадает на лопатки воздушной турбины 8 и, ускоряясь, снова обдувает секции труб холодильника 11 на выходе из регенератора, т. е. в наиболее горячей их части. При такой организации воздушного охлаждения осуществляется градиентное охлаждение рабочего тела, и в полостях роторно-статорного блока 2 дости- гается минимальная температура рабочего тела. В тепловом двигателе с помощью управляющей муфты 20 осуществляется фазовый принцип регулирования мощности. Назначение управляющей муфты 20 заклю- чается в том, чтобы вращающиеся в процессе работы двигателя полуоси 3 и 4 развернуть относительно друг друга на угол в пределах±90° с помощью управляющего электропривода 22. При работе двигателя на фиксированной мощности обе полуоси жестко связаны между собой через набор шариковых подшипников 37 и вращающуюся обойму 31. Положение роторов фиксировано точками пересечения наклонных канавок 36 и 35 на цилиндрической поверхности полуосей и прямых канавок на внутренней поверхности вращающейся обоймы 31. Однако положение этих точек можно изменить, если вращающуюся обойму 31 сдвинуть вдоль оси вращения. Такое перемещение осуществляется с помощью винтовой пары, состоящей из смещающегося винта 33 и гайки 34. При вращении гайки от управляющего электропривода 22 с помощью зубчатого ремня 21 положение гайки не меняется, так как оно зафиксировано связью через подшипники с корпусом двигателя. Смещающийся винт 33 имеет возможность перемещаться вдоль оси вращения роторов. При его смещении

через один набор шариковых подшипников 32 происходит соответствующее смещение у вращающейся обоймы 31, которая через другой набор шариковых подшипников 37 вызывает взаимный разворот роторов, что и требуется для регулирования мощности двигателя. Если роторы имеют одинаковое угловое положение эксцентриситета, то происходит синхронное изменение объемов горячих и холодных полостей, среднее давление в полостях не меняется, рабочим телом совершается нулевая работа, и мощность двигателя также равна нулю. Однако, если от этого положения сдвинуть роторы так, что с опережением по фазе меняется объем горячих полостей, то теплота рабочего тела преобразуется в механическую работу на выходном валу двигателя. При сдвиге в эту сторону на 90° теоретически реализуется максимальная положительная мощность двигателя (фиг. 66). При сдвиг в противоположную сторону на 90° достигается максимальная, но отрицательная по знаку мощность, т. е. двигатель работает как преобразователь механической энергии на выходном валу двигателя в тепловую энергию. Это свойство двигателя дает возможность осуществить в процессе работы режим рекуперации энергии. Предположим, что транспортное средство движется под уклон или вынуждено тормозить по условиям дорожного движения. В этом случае прекращается подачагорючегок фор- сункам 6, открываются регулирующие клапаны 15 и 18, обеспечивающие циркуляцию промежуточного теплоносителя между секциями труб, нагревателя и холодильника и тепловыми аккумуляторами. Заслонки 29 перекрывают каналы 25 и 28 и открывают сквозное окно, соединяющее эти каналы. Роторы переводятся в положение, показанное на фиг. 6 а. В таком режиме осуществляется торможение двигателем, однако кинетическая энергия транспортного средства не теряется, а преобразуется в разность температурных потенциалов тепловых аккумуляторов. При разгоне роторы разворачиваются в зону углов положи- тельной мощности, и накопленная в тепловых аккумуляторах энергия идет на выработку механической работы. Для улучшения теплообмена при рекуперировании энергии секции труб нагревателя и холодильника выполнены так, что трубы циркуляции промежуточного теплоносителя окружены с четырех сторон трубами с рабочим телом. Увеличение числа лопаток роторов снижает перетечки рабочего тела из одной плоскости в другую, так как уменьшается перепад давления между соседними

полостями. Однако с увеличением числа лопаток возрастают потери на трение. Преодолеть это позволяет вращающаяся по отношению к ротору обойма роликового подшипника 41 качения, связанная с рото- ром через ролики. При отсутствии этой обоймы ротор скользил бы по лопаткам со скоростью,пропорциональной числуоборотов ротора, помноженной на мгновенное значение радиуса. Для полностью вдвину- тых лопаток эта скорость была бы максимальной, а для выдвинутых минимальной. Если поверхность ротора сделать скользящей, то она вращается со скоростью, равной разности максимальной и минимальной ли- нейной скорости поверхности ротора, т, е. пропорциональной числу оборотов, помноженным на эксцентриситет роторов, а эта величина много меньше исходных скоростей. Соответственно уменьшаются и поте- ри на трение в роторно-статорных блоках, например при эксцентриситете в одну десятую радиуса ротора потери на трение уменьшаются в сто раз. Дополнительное уменьшение потерь на трение достигается покрытием трущихся поверхностей слоем твердой смазки на основе бисульфидов вольфрама или молибдена, работающих в условиях инертных газов до температур около 1000° С. Поджим лопаток к роторам осуществляется с помощью пружин 43, однако для этой цели можно использовать и известный технический прием, связанный с образованием в пазах статора газовой пружины.

Таким образом, использование высоко- температурного и низкотемпературного тепловых аккумуляторов, регулирующих клапанов и управляющей муфты позволяет осуществить плавное регулирование мощности и рекуперирование энергии, что приводит к повышению экономичности двигателя.. Ф о р м у л а и з о б р е те н и я 1. Тепловой двигатель регулируемой мощности и рекуперированием энергии, содержащий первый и второй роторно-статор- ные блоки с радиальными лопатками, камеру нагревателя с топливными форсунками, регенераторы, камеру холодильника с воздушной турбиной, теплообменник подогрева воздуха, связанный с камерой нагре- вателя, стартовый нагнетатель воздуха в

камеру нагревателя, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности двигателя путем плавного регулирования мощности и рекуперирования энергии, двигатель снабжен первой и второй полуосями, высокотемпературным и низкотемпературным тепловыми аккумуляторами, двумя регулирующими клапанами, управляющей муфтой, управляющим приводом с зубчатым ремнем, причем первая и вторая полуоси установлены в первом и втором роторно- статорном блоках и связаны управляющей муфтой, которая через зубчатый ремень связана с управляющим электоприводом, высокотемпературный тепловой аккумулятор соединен контуром циркуляции промежуточного теплоносителя с установленным в нем одним регулирующим клапаном с камерой нагревателя, а низкотемпературный тепловой аккумулятор соединен контуром циркуляции промежуточного теплоносителя с установленным в нем другим регулирующим клапаном с камерой холодильника.

Фиг.2