Роторный двигатель с внешним подводом теплоты А.В.Чащинова Советский патент 1993 года по МПК F02G1/00 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для разработки двигателей внешнего сгорания.

1 В качестве аналогов изобретения рас- сг отрим поршневые двигатели внешнего сНорания; роторные двигатели внешнего ct-орания.

Поршневые двигатели внешнего сгорания.

8 настоящее время наиболее широкое распространение имеют поршневые двига- те|ли внешнего сгорания Стирлинга. Двига- те|ль Стирлинга - это тепловая регенеративная машина, работающая по замкнутому термодинамическому циклу, в которой циклические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур, а управление потоком рабочего тела осуществляется путем изменения его объема; в двигателях внешнего сгорания Эриксона управление потоком рабочего тела осуществляется посредством клапанов.

Двигатель Стирлинга был изобретен в 1916 г. и получил широкое распространение с 50-х годов 20-го века в первую очередь в связи с рядом особых требований к двигателям в электронной, атомной и космической технике.

На конец 60 годов конструкции двигателей Стирлинга (первое поколение) имели: раздельные камеры сгорания для каждого цилиндра: наличие в каждом цилиндре двух поршней - рабочего и вытеснительного;-ис- пользование кривошипно-шатунного и ромбического механизма для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движдение вала отбора мощности.

Удельная масса двигателей внутреннего сгорания (первого поколения) составляет 4,5-15 кг/кВт, аналог-двигатель типа 4S-1250, мощность 295 кВт, масса 3175 кг, изготовитель - фирма Дженерал- Моторс.

Основными конструктивными отличиями двигателей Стирлинга второго поколения (конец 70 г) являются использование единой камеры сгорания на все или группу цилиндров двигателя; наличие в цилиндре одного поршня двойного действия, выполняющего функции рабочего и вытеснитель- ного; применение в качестве силовой передачи кривошипно-шатунного крейц- копфного механизма, косой шайбы.

(Л

С

ч о ел

со со

Удельная масса двигателей двойного действия достигла 2-4,3 кг/кВт, аналог-двигатель Стирлинга типа P-15Q, масса со вспо- могательными агрегатами 650 кг, изготовитель-фирма Юнайтед-Стирлинг.

В сравнении с поршневыми двигателями внутреннего сгорания-двигатели Стир- лин га имеют следующие основные доЬтШнс твэ: в ысок ая экономичность: малый ypoiSeHb шума; малая токсичность выпускаемых газов; возможность работы, практически, от любых источников теплоты.

Роторные двигатели внешнего сгорания.

Относят к третьему поколению тепловых регенеративных машин, работающих по замкнутому термодинамическому циклу.

В сравнении с поршневыми двигателями внешнего сгорания - роторные двигатели имеют существенно меньшие удельные массу и обьем. Рассмотрим наиболее известные образцы названных устройств,

Роторный двигатель с двумя роторными устройствами

В роторном двигателе, приведенном в запатентованном фирмой Даймлер-Бенц, на одном в.алу со сдвигом в 90° размещены два роторных устройства типа двигателя Занкеля, Выходные патрубки соединены последовательно через нагреватель, регенератор и холодильник таким образом,что двигатель может работать по циклу Стирлинга двойного действия, В одно роторное устройство поступает горячий газ, где происходит его расширение с получением по- лезной работы, в другое роторное устройство поступает холодный газ, где производится его сжатие. Для управления потоками газа применены золотники, скорость вращения которых синхронизирована со скоростью вращения роторов, а теплообменник включает подогреватели и холодильники,:

В данном двухроторном двигателе осуществляются два полных цикла за один оборот эксцентрикового вала. Применение роторно-эпитрохоидального механизма позволяет значительно снизить массу и объем двигателя Стирлинга по сравнению с конструкциями, где в качестве привода использован кривошипно-шатунный или ромбический механизм.

Схема двигателя с двумя роторными машинами,

Схема роторного двигателя, предложенная Цвзуэром, содержит две роторные машины типа Ванкеля, расположенные на общем валу, и два регенератора, установленных симметрично относительно продольной оси двигателя. Одна из роторных

машин представляет собой блок сжатия, другая - блок расширения. Каждый блок состоит из трех отдельных полостей (камер), в каждой из которых за один оборот вала осущёствляются два процесса сжатия и расширения, Таким образом, комбинация из таких двух роторных машин приводит к трем отдельным системам, в каждой из которых осуществляются два полных цикла за один

оборот вала.

При разработке роторных двигателей основные трудности.связаны с решением вопросов по неуравновешиваемости и уплотнениям.

Анализ аналогов предлагаемого устройства выполнен по известным источникам.

В качестве прототипа изобретения принят роторный двигатель, предложенный Цвауэром, где две роторные машины типа

двигателя-Ванкеля расположены на общем валу, а два регенератора - симметрично относительно продольной оси двигателя. Одна из роторных машин представляет собой блок сжатия, другая - блок расширения.

Комбинация из двух таких машин приводит к трем отдельным системам, в каждой из которых осуществляются два полных цикла за один оборот вала.

Недостатком прототипа является применение ротора треугольной формы, который сложен по конструкции и в производстве, а также трудность обеспечения его уравновешиваемое™.

Целью изобретения является упрощение конструкции ротора роторного двигателя (прототипа), что позволит снизить трудоемкость его производства, при одновременном обеспечении уравновешив.аемо- сти предложенного устройства.

В основе предложенной конструкции двигателя положен принцип разделения холодной и горячей рабочих полостей, а рабочее тело направляется из одной полости в- другую посредством ротора, который вращается в одном направлении, поскольку работа, затрачиваемая ротором на сжатие холодного рабочего тела меньше работы, которую ротор (поршень) совершает при расширении горячего тела, то двигатель вырабатывает полезную механическую энергию.

Для создания необходимых газовых потоков рабочего тела используется измене- ние физических объемов рабочих полостей, при этом, направление потока рабочего тела во всей системе двигателя при его работе остается постоянным по направлению, но пульсирующим по величине, величина пуль- саций определяется, в основном, размераMV конхоидной рабочей камеры и конфигурацией ротора.

Момент начала вращения эксцентрикового вала роторного двигателя происходит следующим образом: при нагревании внешним источником тепла герметически замкнутой рабочей камеры, в которой рабочее тело находится под давлением (например - ге;лий в системе двигателя при давлении 10 МПа), давление рабочего тела в полости расширения возрастает и ротор-поршень начинает вращение под действием давления расширяющегося рабочего тела, а вместе с ротором начинает вращаться эксцентриковый вал, который является ва- лс}м нагрузки.

: Ротор двигателя производит одновременно двойное действие, так как одна его радиальная поверхность находится в полости расширения, где управляет движением потока горячего рабочего тела, вторая его радиальная поверхность находится в полости сжатия, где управляет потоком рабочего тела по его выталкиванию в полость регене- и охладителя через выпускное окно; одновременно ротор передает усилие на эксцентриковый вал, который является ва- пбм нагрузки, таким образом предложенный двигатель является двигателем двойного действия.

Управление процессом впуска рабочего те;ла в рабочую камеру - (ее полость расши- рфния) производится посредством открывания и закрывания впускного окна в крышке рабочей камеры двигателя-торцовой сторо- нбй ротора, выталкивание рабочего тела из рабочей камеры производится также ротором.

В роторном двигателе в качестве регенератора (рекуператора) применено устройство, построенное на принципе тепловой трубки, в которой в зоне испарителя установлен пучок трубок, по которым проходит горячее рабочее тело из полости сжатия в охладитель, а в зоне конденсатора установлен пучок трубок, по которым рабочие тело поступает из охладителя в нагреватель.

Сущность и новизна изобретения заключаются в том, что в отличие от прототипа - роторного двигателя Цвауэра, в предложенном роторном двигателе внешнего сгорания:

с целью упрощения конструкции ротор двигателя выполнен двухвершинным (ром- брвидным)с конхоидной радиальной поверхностью двух его сторон и установлен на эксцентриковом валу в рабочей камере, радиальная поверхность которой выполнена также по конхоиде, рабочая камера делится

ротором на две камеры, объемы .которых изменяются при вращении ротора от нуля до максимального значения - циклически, оси полюсов конхоид рабочей камеры и ро- тора совмещены; при работе двигателя ось ротора движется по основной окружности конхоиды, а вершины ротора движутся по радиальной конхоидной поверхности рабочей камеры, что обеспечивается двумя шес0 тернями с передаточным отношением 1:2, при этом, ротор вращается на подшипнике, который расположен на эксцентрике эксцентрикового (выходного) вала двигателя; впускное окно для пропуска рабочего тела в

5 рабочую камеру двигателя выполнено в его крышке, а на торцевой стороне ротора, с этой же целью симметрично относительно оси эксцентрика, выполнены две выемки; для предотвращения утечки.рабочего тела

0 из рабочей камеры двигателя, на торцевой поверхности ротора установлены в несколько рядов уплотнения как по ее внешнему, так и внутреннему (со стороны эксцентрика) контурам, выполненные, например, из теф5 лона, который не требует смазки; управление потоком рабочего тела, поступающего через впускное окно в рабочую камеру (полость расширения) осуществляется путем закрывания и открывания этого впускного

0 окна торцовой стороной ротора при его вращении на эксцентриковом валу, а выталкивание этого рабочего тела из полости сжатия осуществляется этим же ротором через выпускное окно, которое может быть

5 выполнено как в корпусе (радиально), так и о крышке данного двигателя,

с целью исключения возникновения осевого давления на одном торце ротора, на втором его Торце выполнены, симметрично,

0 аналогичные описанным выше выемки, а оба торца ротора связаны сообщающимися каналами,

с целью усиления механической связи ротора с эксцентриковым валом, что осо5 бенно важно для мощных роторных двигате- лей, введена дополнительно вторая зубчатая передача по параметрам равная первой, но установленная на противоположной стороне ротора и второй крышке,

0 с целью повышения КПД регенератора, который является, по существу, рекуператором, он выполнен в виде тепловой трубки, охватывающей, по возможности, более полно корпус двигателя, в этой тепловой труб5 ке установлены трубчатые испаритель и конденсатор,.

с целью повышения КПД двигателя предложено в конструкцию эксцентрика эксцентрикового вала ввести каналы, по которым пропускать часть рабочего тела, отходящегоиз выпускного окна рабочей камеры, что позволит дополнительно нагребать эксцентрик и двигатель за счет тепла отходящего рабочего тела,

с целью увеличения напора при перемещении рабочего тела в полость расширения двигателя, в соединительный канал, проходящий через выпускное окно, испаритель регенератора, охладитель, конденсатор регенератора, нагреватель и впускное окно полости расширения, дополнительно включен роторный компрессор, установленный на одном.общем основании с роторным блоком двигателя, содержащим нагреватель, при этом, ротора блока двигателя и компрессора установлены на одном общем эксцентриковом валу, который является валом отбора мощности двигателя,

с целью увеличения удельной мощности двигателя в его конструкцию включены два блока/установленных на одном основании, ротора блоков связаны одним эксцентриковым валом и общим соединительным каналом для перемещения рабочего тела через полости сжатия и расширения, регенераторы, охладители и нагреватели.

для полного исключения вибрации роторного двигателя в заявке приведен ряд примеров выполнения конструкции предложенного устройства, каждое из которых включает блоки (двигатели), установленные на общем основании, ротора которых связаны одним эксцентриковым валом, при этом ниже в примерах, посредством графического метода теоретически показано, что при работе такого (назовем многоцилиндрового) двигателя, будет обеспечена идеальная сбалансированность всех сил инерции вращающихся масс (ротора, эксцетрики и др.), всех блоков-двигателей, установленных на общем основании без применения специальных балансиров при любых оборотах в минуту общего эксцентрикового вала.

Таким образом, при отсутствии в предложенном роторном двигателе внешнего сгорания внутренних взрывов при сгорании топлива, как в ДВС, и наличии идеальной, обусловленной конструкцией устройства, сбалансированности всех вращающихся масс-проблема балансировки данного двигателя решена.

П р и м е р 1. На фиг.1 изображена конструктивная схема предложенного двигателя роторного внешнего сгорания в трех проекциях, где на фиг.1 А изображен двигатель, вид сбоку; на фиг. 1Б - вид двигателя вдоль оси эксцентрикового вала 2, на фиг.1 В - вид двигателя сверху. На проекциях фиг.1А, Б, В показаны детали: корпус 1, эксцентриковый вал 2, эксцентрик 3, установленный на эксцентрике 3 подшипник 4, который может быть выполнен в виде шарикоподшипника, металлофторопластового подшипника скольжения и т.п., на этом подшипнике размещен ротор, 5, на торцовых сторонах которого имеются выемки б и 6 , 7 и 7 , предназначенные для впуска рабочего тела через впускное окно 8, выполненное в крышке двигателя, в его полость расшире0 ния VT, за время, эти полости проходят над впускным окном 8 при вращении ротора 5, выпускное окно 9, выполненное в корпусе 1 (в данном примере), предназначено для выталкивания рабочего тела из полости сжа5 тия V2 ротором 5 при его вращении по часовой стрелке; рабочее тело (например- гелий) из полости V2 через выпускное окно 9, пучок трубок 10, которые размещены в зоне испарителя А - регенератора 11, по

0 стрелке V1 поступает в охладитель 12, откуда по стрелке V1 - через пучок трубок 13, установленных в зоне конденсатора Б-реге- нераторз 11, поступает в нагреватель 14, и далее, через впускное окно 8 - рабочее тело

5 поступает в полость расширения V1; при вращении ротора 5 в полости V1 создается разрежение, что способствует перемещению в нее рабочего тела из охладителя - через конденсатор Б и нагреватель 14; од0 повременно при вращении ротора 5 в полости V2, трубках 10 и охладителе 12 создается некоторое давление, что также способствует перемещению рабочего тела из полости V2 через охладитель в полость V1. Для вы5 равнивания осевого давления с торцовых сторон ротора, в его корпусе выполнены симметрично относительно оси эксцентрика два сквозных канала 15, корпус двигателя установлен на основаниях 16, 17. С целью

0 дополнительного нагрева корпуса двигателя на фиг.1 Б - показано удлинение В-реге- нератора 11, выполненного на принципе тепловой трубки, желательно, при разработке конструкции двигателя обеспечить более

5 полный охват и контакт тепловой трубки с его корпусом.

Выполнение регенератора 11, работающего по принципу действия тепловой трубки, стало возможным потому, что при работе

0 предложенного устройства направление потока рабочего тела (например - гелия) является неизменным, то есть регенератор 11, по существу, является рекуператором, однако, в заявке мы будем пользоваться приня5 тым в двигателях внешнего сгорания термином-регенератор.

Поскольку регенератор является одним из самых важных теплооменников системы двигателя внешнего сгорания, то выбор, в данном примере, в качестве регенераторатепловой трубки, является целью получения более высокого КПД двигателя за счет сни- ж0ния аэродинамического сопротивления и зйдержки рабочего тела при движении по его трубчатому теплообменнику в сравнений с регенератором из пористого материала двигателей Стирлинга, а также за счет дополнительного нагрева корпуса двигателя теплом, поступающим по регенератору в зоНу В, показанную на фиг.1Б.

Естественно, что в предложенном роторном двигателе возможно применение и других типов трубчатых теплообменников.

Рабочий объем предложенного роторного двигателя, который заполняется рабочий телом, например гелием при среднем давлении 10-20 МПа, включает объемы ра- бо(ней камеры V1 и V2, объемы охладителя и соединяющих их металлических трубок, располагаемых в регенераторе и нагревателе.

Перед описанием работы предложенного роторного двигателя, с целью более четкого понимания особенностей его конструкции, рассмотрим пример конструктивного решения корпуса этого устройства и выходящих в него основных деталей, а также графическим методом проанализируем соотношения размеров отдельных конст- руйтивных величин, влияющих на параметры; двигателя и выберем примерный, оптимальный вариант основных конструктивных соотношений радиальных размеров койхоидной рабочей камеры и ротора в относительных величинах.

На фиг.2А, Б, В, Г - показаны взаимо- ряда деталей роторного двигателя, гд4 в корпусе 1 размещен эксцентриковый вал 2 с эксцентриком 3, на котором посред- ств|ом подшипника 4 установлен ротор 5, на торцовой стороне которого жестко укреплена |шестерня 6, имеющая внутреннее зацепление, и связанная с шестерней 8. имеющей внешнее зацепление и неподвижно укреп- ле(Нной на крышке 7 корпуса двигателя, внутри шестерни 8 установлен подшипник 9, закрепленный кольцом 10, на валу 2 укреплен маховик-противовес 11.

С другой стороны корпус 1 закрыт крышкой 1.2, в которой установлен подшипник 13, закрепленный кольцом 14, на валу 2 укреплен второй маховик-противовес 15. На фиг.2А и фиг.2Б изображено впускное окно 16, а на фиг,2Б - изображено выпускное окно 17, выполненное в корпусе 1, основание двигателя 18. На фиг.2А, 2Б и 2Г пока- заИы выемки 21 и 211,22 и 22 , выполненные на торцовых поверхностях ротора симметрично относительно оси эксцентрика, и предназначенные для пропуска рабочего

тела (при работе двигателя) из полости V2, показанной на 2Б,через выпускное окно 17, зону А регенераюра 24, охладитель 23, зону Б регенератора 24, нагреватель 25, впуск- ное окно 16, при этом, если ротор 5 повернется на эксцентрике 3 и валу 2 таким образом, что выемка 22 , или 21 расположится над впускным окном 16, то через него в полость расширения VI - начнет поступать нагретое рабочее тело,работу которого при его расширении рассмотрим ниже на фиг.4 и для предотвращения образования осевого давления на роторе, его торцовые поверхности связаны сквозными каналами

26, расположенными симметрично оси экс центрика 3: на фиг.2Г показаны уплотнения, установленные на роторе 5, включающие радиальные пластины 27, 28 и 30 и торцовые уплотнения 29 с сухариками 31.

На фиг.ЗА изоражены основные детали предложенного роторного двигателя, размещенные для наглядности, вдоль вала 2, где: корпус 1, эксцентрик 3, подшипник 4, ротор 5, шестерня 6 с внутренним зацеплением, жестко закрепляемая на роторе 5. крышка 7 с впускным окном 16, устанавливаемая на корпусе 1, шестерня 8 с внешним зацеплением, жестко укрепляемая на крышке 7, подшипник 9, кольцо 10 для крепления

подшипника 9, маховик-противовес 11, крышка 12, подшипник 13, кольцо 14, маховик-противовес 15; отношение числа зубьев шестерен 8 и 6 равно 1:2.

Выбор формы боковой (радиальной) поверхности рабочей камеры корпуса двигателя проверен ниже на основании анализа ряда конхоидных поверхностей. На фиг.ЗБ изображены три конхоиды, у которых основная окружность имеет диаметр а с центром

в точке 0 и полюсом в точке Oi, где радиус- вектор конхоиды г равен I, а конхоид в и б - соответственно меньше, при этом:

- для конхоиды г отношение - 3

э

(сплошная линия),

- для конхоиды в отношение - 2

3

(штрихпунктирная линия),

I

-для конхоиды б отношение ,5 (пун- a

ктирная линия).

Анализ форм конхоид, приведенных на

фиг.ЗБ, показывает; что при - 2 конхоида

3

имеет овальную форму, что предпочтительно для рабочей камеры двигателя с целью упрощения технологии ее изготовления.

Для конхоиды, изображенной на

фиг.ЗБ г, отношение - 3, при этом, отноше3

ние ее наибольшего размера - диаметра по горизонтали, параллельной линии 1-1, к наибольшему диаметру по вертикали, равному расстоянию между вершинами конхоиды г на линии 4-4, составляет 1,06, что близко к окружности; для наглядности на фиг.ЗБ показана в сравнении окружность - ОК, и конхоида - КОН.

Кроме того, на фиг.ЗБ линиями 1-1, 2-2, 3-3, 4-4, 5-5, 6-6, проходящими через полюс Oi и основную окружность диаметром а с центром оси в точке 0, показаны для примера, положения, которые будет занимать линия, соединяющая вершины ротора, двигателя при его вращени на эксцентрике вокруг оси 0 и точки пересечения с основной окружностью; линия 4-4 проходит через вершины конхоид.

На фиг.ЗВ изображены детали фиг.2Б, где для примера, изменено положение ротора 5 с вертикалью (фиг,2Б) на горизонтальное, при этом видим, что форма конхоидной поверхности рабочей камеры выше линии Д-Д, и форма конхоидной поверхности радиальной поверхности ротора аналогичны, а зазор между этими поверхностями необходимо иметь минимальным, что должно быть выполнено при разработке конструкции. На фиг.ЗВ - наглядно видно расположение и примерные относительные размеры выемок 21 и 211, 22 и 221.

На примере фиг.4 и фиг.5 рассмотрим работу предложенного двигателя роторного внешнего сгорания в начальный период вращения ротора. На фиг.4А изображены корпус 1,эксцентриковый вал 2,эксцентрик 3, регенератор 4, в котором .конец А является испарителем, где расположены трубки 6, по которым горячее рабочее тело поступает через выпускное окно 9 из полости 2 в охладитель 51, и далее проходя по металлическим трубкам 7, расположенным в конце Б, который является конденсатором регенератора 4, рабочее тело подвергается предварительному нагреву за счет тепла, полученного по регенератору от испарителя А, далее рабочее тело поступает в нагреватель 25 (изображенный на фиг,2А), где происходит его нагрев за счет тепла при внешнем сгорании топлива в зоне нагревателя 25, из нагревателя, уже горячее рабочее тело поступает во впускное окно 8, расположенное в крышке корпуса, и при положении ротора 5, изображенном на фиг.4Б и фиг.4В, горячее рабочее тело через выемку 10 поступает в полость расширения V1.

На фиг.4Г, где выемка 10 при вращении ротора по часовой стрелке пройдет через впускное окно 8, при этом, ротор 5 своей

торцовой поверхностью с уплотнениями закроет выпускное окно 8, поступление рабочего тела в полость V1 прекратится, но находящееся в этой полости поступившее

через впускное окно из нагревателя горячее тело начнет расширяться, получая дополнительное тепло от нагретой части корпуса, прилегающей к этой полости, при этом, происходит повышение давления Р1 рабочего

0 тела в полости расширения V1, что приводит к образованию момента вращения ротора 5 на эксцентрике 3 (фиг.4Г) с учетом величины его эксцентриситета относительно оси вала 2; под воздействием давления Р1, ротор 5

5 начнет поворачиваться по часовой стрелке, что показано на фиг.4Г, фиг.БД, 5Е, 5Ж стрелкой давление Р1 в полости V1 - воздействует на ротор 5 при его повороте вокруг вала 2, примерно, на угол 90°; при

0 наличии маховика на валу 2 двигателя, ротор 5 прдолжит вращение за счет энергии, запасенной массой маховика.

Процессу поступления рабочего тела из охладителя 5 в полость V1 способствует

5 разрежение в этой полости, возникающее при повороте ротора 5 вокруг вала 2, а также, повышение давления в полости охладителя за счет нагнетания в них рабочего тела, выталкиваемого ротором 5 из полости V2

0 при его вращении по стрелке V.

При рассмотрении образования начального момента вращения ротора на эксцентриковом валу, в качестве исходных может быть принято несколько положений ротора

5 в рабочей камере двигателя.

Выше мы рассмотрели случай, когда ротор уже начал вращение из исходного положения, показанного на фиг.4А, получив импульс момента вращения на вал 2 от

0 внешнего источника энергии.

Рассмотрим второй случай, приняв для примера, что двигатель содержит два блока, установленные на общем основании и связанные одним эксцентриковым валом, при

5 этом в первом блоке ротор установлен в положение показанное на фиг.4А, а во втором блоке ротор находится в положении, показанном на фиг.5Д.

В исходном состоянии, когда корпуса

0 блоков двигателя не нагреты от внешнего источника теплоты, давления во всех полостях обоих блоков одинаковы и равны, например, 10 МПа, величины моментов вращения на роторах отсутствуют, эксцент5 риковый вал двигателя не вращается.

При нагреве корпусов обоих этих блоков показанных на фиг.4А и фиг.5Д, ротора которых связаны общим эксцентриковым валом, в замкнутой полости VI блока, изображенного на фиг.5Д, при повышении температуры его корпуса, также произойдет повышение температуры рабочего тела в этой з амкнутой полости, при этом, начнет возрастание давления Р1 рабочего тела, находящегося в этой полости V1, что приведет к образованию момента вращения, создаваемого его ротором на эксцентриковом валу и началу поворота этого вала вокруг своей Оси; при дальнейшем расширении объема полости V1 блока фиг.БД, поворот эксцентрикового вала будет продолжаться, как показано на фиг.БД,. 5Е, 5Ж.

Ротор второго блока проходя под давлением расширяющегося рабочего тела последовательно положения от фиг.4Г, через Положения фиг.БД, 5Е до положения на фиг.БЖ, повернется на оси вала, примерно, на 90°. Так же на 90° повернется из положения, показанного на фиг.4А, и ротор первого блока, заняв, при этом положение, соответствующее положению ротора на фиг.БД, таким образом, создается положение ротора в рабочей камере первогоо блока, аналогичное описанному выше для второго блока. Следовательно, вновь повторится цикл образования момента вращения и поворота эксцентрикового (общего) вала двигателя от работы первого блока.

Таким образом, описанный выше запуск двигателя роторного поршневого, содержащего два одинаковых блока, установленных на общем основании, связанных одним эксцентриковым валом с двумя роторами, сдвинутыми один относительно другого на 90° - является, по существу, самозапуском этого двигателя, проходящем при одновременном нагреве корпусов обоих блоков;

Анализ положения роторов и образования давления в рабочих полостях двигателя, приведенных на фиг.4 и фиг.5, позволяет сделать вывод о том, что если соединить в один двигатель шесть таких блоков, но со сдвигом их роторов последовательно один от другого на 60°, то при работе такого шестиблочного (шестицилиндрового) двигателя в создании момента вращения на общем эксцентриковом валу, который является выходным валом двигателя, будет одновременно задействовано четыре блока, что позволит обеспечить высокую равномерность и плавность момента вращения на его выходном валу.

Пример 2. В отличие от примера 1, в двигателе по примеру 2 дополнительно введена вторая пара шестерен, предназначенная для усиления связи между ротором и второй крышкой двигателя, что позволяет увеличить длину ротора вдоль оси вала, при

сохранении диаметра корпуса двигателя, а следовательно повышать его мощность.

Кроме того, с целью ускорения запуска роторного двигателя и повышения его КПД предусмотрена возможность нагрева его за счет теплоты рабочего тела, пропускаемого по каналам, выполненным в эксцентрике ротора двигателя. Реализация предложения по примеру 2 показана на фиг.6, 7, 8.

0 Двигатель, изображенный на фиг.бА, Б, В включает следующие основные детали: корпус 1,эксцентриковый вал 2,эксцентрик 3, крышка 4, ротор 5, крышка 6, выпускное окно 7, металлические трубки 8, установлен5 ные в испарителе регенератора 9, по которым рабочее тело поступает в охладитель 10, а через его конец 10 рабочее тело по стрелке V поступает по металлическим трубкам 11 в конденсатор Б регенератора 9, да0 лее по трубкам 12 нагревателя 13, через впускное окно 14, выполненное в крышке б, выемку 15, выполненную в роторе 5 (если ротор 5 своей торцовой поверхностью открывает впускное окно 14) рабочее тело по5 ступает в полость расширения 1; ротор 5 имеет четыре выемки 15, 16, 17 18; выпускное окно 7 двигателя по периметру 2 отличается от двигателя по примеру 1 тем, что выпускное окно 7 выполнено в крышке 6

0 двигателя, а не в его корпусе 1.

На фиг.бГ - показано подключение эксцентрика 3 к системе циркуляции рабочего тела в двигателе роторном, что рассмотрим ниже.

5 На фиг.7 изображен в трех проекциях корпус двигателя роторного по примеру 2; основным его отличием от корпуса, роторного двигателя по примеру 1 является введение второй пары шестерен для усиления

0 связи ротора с корпусом, ротор 5 дополнительно снабжен шестерней 12, с внутренним зацеплением, равной по параметрам шестерне 6, таким образом,на обоих торцовых сторонах ротора 5 установлены равные

5 шестерни 6 и 12, для связи с шестерней 12 . на крышке 13 жестко установлена шестерня 14с внешним зацеплением, равная по параметрам шестерне 8, жестко установленной в крышке 7, таким образом ротор 5 связан с

0 корпусом двигателя посредством двух пар шестерен; выпускное окно 20, показанное на фиг.7Б выполнено, как и впускное окно 19, также в крышке 7 двигателя.

Расположение деталей на фиг.7А в раз5 вернутом виде на валу 2 показано на фиг.8А. Рассмотрим возможность ускорения запуска двигателя по примеру 2. С целью ускорения разогрева двигателя при его пуске и повышения его КПД при работе, эксцентрик вала дополнительно снабжен полостпми-каналами, по которым пропускается нагретое рабочее тело (например: за счет давления в системе д игателя или за счет давления рабочего тела, создаваемом отдельным компрессором). На фиг,6Г показано подключение эксцентрика 3 посредством соединительных трубок 20 и 21 к системе циркуляции рабочего тела двигателя параллельно к трубкам 8, проходящим в испарителе А регенератора 9. На фиг,8Б, В, Г, Д показана более детально схема выполнения и подключения каналов в эксцентрике двигателя. . . На фиг.8Б и фиг.8 показано, для примера, выполнение в эксцентрике 4 одного канала 5с каналами 9 и 91 в валу 3 двигателя, которые подключаются в систему циркуляции рабочего тела так, как показано на фиг.бГ. -.

На фиг,8Г изображен эксцентрик 4, установленный на валу 3-е системой циркуляции рабочего тела, где для наглядности диаметры эксцентрика 4 и вала 3 увеличены, на фиг.8Б показан эксцентрик 4-в поперечном сечении, где размещены восемь каналов 5,51 и т.д., изображен коллектор 5к, вал 3, каналы 8 и 9.

: Система циркуляции рабочего тела по каналам, расположенным в теле эксцентрика, для примера, на фиг.бГ включает; вал 3, эксцентрик 4, каналы 5 и 5 , кольцевые коллектора 5к и 5К , и связанные с ними каналы 8 м 9, расположенные в валу 3, обойма ТО с коллектором 12, связанным с трубопроводом 1Т и 13, канал 8 связан с трубопроводом 7 и 17. Таким образом, если дополнительный нагрев эксцентрика роторного двигателя предполагается осуществить за счет теплоты отходящего рабочего тела при его прокачке через каналы эксцентрика посредством использования перепада давления, то трубопроводы 13 и 17, показанные на фиг.ЗГ, включаются в систему циркуляции рабочего тела двигателя так, как показано на фиг.бГ включение соединительных трубок 20 и 21.

Предлагается и второй вариант дополнительного подогрева эксцентрика нагретым телом, прокачиваемым через каналы эксцентрика посредством компрессора 16, с применением компенсатора 18 и нагревателя 14.

Работа роторного двигателя по примеру 2 с устройством перемещения рабочего тела по каналам в эксцентрике подобна работе двигателя по примеру 1, поэтому более подробно не описывается.

Примерз. G целью обеспечения большей сбалансированности вращающихся масс и равномерности непрерывного вращения выходного вала на фиг.9 показан двигатель, включающий два одинаковых блока (двигателя) - блок Б1 и блок Б2, каждый из которых аналогичен двигателю, описанному в примере 1, при этом, блоки Б1 и Б2 установлены на одном основании, а их ротора связаны общим эксцентриковым валом и развернуты один относительно друго0 гона 90°,

На фиг.9А изображены блоки Б1 и Б2, каждый из которых содержит корпус 1, ротор 2j эксцентриковый вал 3, выемки 4 и 41, 5 и 5 f, расположенные по обеим торцовым

5 сторонам их роторов, выпускное окно 6, металлические трубки 7, расположенные в зоне испарителя А регенератора 8, охладитель 9, металлические трубки 10, размещенные в зоне конденсатора Б регенератора 8, впуск0 ноеокно 11, выполненное в крышке корпуса каждого блока, полость расширения V1, полость сжатия V2.

На фиг.9А-Б2 изоражен двигатель Б2, в котором эксцентрик расположен с поворо5 том на 180° относительно эксцентрика двигателя Б1, а ротор повернут на 90° относительно ротора двигателя Б2. Оба экс- центрикэ и ротора двигателей Б1 и Б2 связаны одним общим валом. На фиг.9А-Д

0 показано диаметральное расположение эксцентриков двигателей БТ и 52 на общем валу устройства,

На фиг. в левой колонке показано последовательно изменение положе5 ния ротора двигателя Б1, а на фиг.9А-Б-В-Г в правой колонке показано изменение положения ротора двигателя Б2, при этом, угол между роторами и эксцентриками на фиг.ЭД в колонках по горизонтали (Б1-Б2)остается

0 неизменным.

Проведем анализ образования на фиг.9 суммарных сил в полостях V1 и V2 блоков 51 и Б2 при повышении температуры в их нагревателях (например при сжигании топли5 ва) и сгорания моментов вращения на общем эксцентриковом валу 3, положив в основу описание работы роторного двигателя в примере 1.

Анализируя фиг.9А видим, что давление

0 Р1 возникает, при закрытом входном окне 11, в полости 1 блока Б2, что показано на графике фиг,9Е.

Аналогично, на фиг.ЭБ и 9В силы давления Р1 в полости VI блока Б2 продолжают

5 работу при расширении объема этой полости, при этом, суммарный момент вращения на валу 3 двигателя обусловлен работой блока Б2; последовательное изменение положения эксцентриков блоков Б1 и Б2 показано на фиг.9Д - по вертикали; на

фиг.ЭГ показана работа блока Б1 при давлении Р1 - в его полости V1, при этом, процесс образования момента вращения вала 3 при работе блока Б1 - аналогичен работе блока Б2, что описано выше.

Приведенный выше анализ работы двигателя с блоками Б1 и Б2, по примеру 3, показанный на фиг.9, позволяет сделать вывод о том, что суммарный момент вращения, создаваемый этими блоками на их общем эксцентриковом валу, в любой момент будет больше нуля, то есть на валу двигателя будет действовать момент вращения - непрерывно.

Необходимо отметить, что при объединении в общее устройство на одном эксцентриковом валу и одном основании не- ркольких таких двигателей со смещенными по фазе роторами и эксцентриками, существенно упрощается сбалансированность вращающихся масс роторного двигателя.

Пример 4. С целью упрощения динамической балансировки вращающихся масс и повышения стабильности момента вращения выходного вала роторного двигателя, на фиг.10 изображено устройство, содержащее четыре блока 1, 2, 3, 4, далее по |ексту - блоки, показанные, для наглядности, развернутыми на общем эксцентриковом валу; каждый блок представляет часть конструкций двигателя, рассмотренного в примере 1, что достаточно для пояснения отличительного признака в примере 4 и включает: корпус двигателя с ротором, эксцентриковым валом и основанием (без регенератора, охладителя, нагревателя), На фиг.10 блоки 1, 2, 3 и 4 связаны одним эксцентриковым валом 1 и установлены на об- гцем основании 2, рабочие полости в блоках обозначены соответственно V1, V2, V3, V31 V4, V4 , впускные окна 5, выпускные окна 6, полюса конхоид рабочих камер и роторов 7.

Особенностью данной конструкции яв- ляектся то, что полюса конхоид и роторов блоков 1 и 2; а также блоков 3 и 4 расположены диаметрально противоположно оси вала 1, а линии, соединяющие вершины роторов блоков 1 и 2 являются параллельными, соответственно параллельны линии соединяющие вершины роторов блоков 3 и 4, однако между парами блоков эти параллельные линии являются перпендикулярными, например, линии между вершинами блоков 1 и 3, 2 и 4,

Анализ фиг. 10 показывает, что вращающиеся массы блоков 1 и 2, а также 3 и 4 являются взаимно сбалансированными, а следовательно, сбалансированы вращающиеся массы и всего рассматриваемого устройства, состоящего из четырех

одинаковых блоков, При увеличении на одном эксцентриковом валу количества таких блоков - сбалансированность двигателя будет повышаться.

Пример 5. С целью конструктивного обеспечения, в принципе, полной динамической сбалансированности роторного двигателя, на фиг.10Б изображено устройство, состоящее из четырех одинаковых блоков

Б1, Б2, БЗ, Б4, каждый из которых подобен блоку роторного двигателя, описанного в примере 1, но без противовесов, все 4 блока установлены на общем основании 2 и связаны одним эксцентриковым валом 1, каждый

блок включает корпус 3, ротор 4, впускное окно 5, выпускное окно 6, полюс конхоиды рабочей камеры 7, рабочие камеры обозначены V1, V2, V3, V4.

Отличием устройства по примеру 5, где

блоки, для наглядности, также развернуты на общем эксцентриковом валу, является то, что эксцентрики, ротора, полости V1 и V4 и полюса рабочих камер блоков Б1 и Б4 расположены диаметрально противоположно

названным элементам в блоках Б2 и БЗ, размещенным на эксцентриковом валу между блоками Б1 и Б4, а линии, соединяющие вершины роторов всех четырех блоков - параллельны.

Анализ работы устройства, приведенного на фиг. 10Б, с учетом фиг.9, позволяет сделать вывод о том, что вращающиеся массы (ротора, эксцентрики и т.д.) блоков Б1 и Б4 в сумме будут равны вращающимся массам блоков Б2 и БЗ, но создаваемые этими вращающимися массами центробежные силы будут направлены диаметрально противоположно относительно оси вращения вала нагрузки двигателя, и при равных вра дающихся массах будут взаимно компенсироваться.

Следовательно, двигатель, содержащий такие блоки, будет конструктивно сбалансированным. .

П р и м е р 6. В примерах 1-5 были

рассмотрены двигатели роторные внешнего

сгорания, в которых блок расширения имеет

рабочую конхоидную камеру с ротором на

эксцентриковом валу, корпус рабочей камеры нагревается поступающим в полость расширения горячим рабочие телом,.а также теплом, создаваемым при внешнем сгорании топлива в нагревателе, охладитель в. указанных примерах выполнен без ротора.

В примере 6 показан двигатель роторный внешнего сгорания, в котором с целью ускорения наполнения рабочим телом полости расширения блока Б1, введен второй

блок Б2. снабженный ротором, описание которого приведено ниже.

На фиг.11 А, Б в двух проекциях изображен двигатель роторный внешнего сгорания, включающий блок Б1 - блок расширения и блок Б2 - блок сжатия, которые установлены на общем основании 1, ротора блоков связаны одним эксцентриковым валом 2 и установлены один относительно другого, на 90°. Блок Б1 содержит корпус 3, ротор 5, крышки, закрывающие корпус в крышке 4 выполнено впускное окно б и выпускное окно 7, на входе впускного окна 6 установлен нагреватель 8, конденсатор Б регенератора 9, через соединительные трубки 14 соединен с выпускным окном 13 полости V1 блока Б2; на выходе выпускного окна 7 блока Б1, установлены металлические трубки, которые проходят через испаритель А регенератора 9, охладитель

10. соединительные трубки 11 и связаны с входным окном 12 полостью V2 блока Б2. На фиг.11В изображены ни общем основании 1 корпуса блоков Б1 и Б2 с роторами, для наглядности развернутыми на валу 2, где обозначены корпуса 3 и З1, для блока Б1 - впускное окно 6, выпускное окно 7, полюс конхоиды 16, полость V1, для блока Б2 - впускное окно 12, выпускное окно 13, полюс конхоиды 16, полость сжатия V1, полость V2, куда поступает рабочее тело по трубкам

11. направление вращения ротора и эксцентрикового вала показано стрелками V,

При работе двигателя по примеру 6, горячее рабочее тело из блока Б1, через выпускное окно 7, поступает по трубкам в испаритель А регенератора 9, где передает тепло веществу с фазовым переходом, и далее, через охладитель 10, трубки 11, впускное окно 12 поступает по стрелке V1 в полость V2, в которой создается разрежение (понижение давления) при вращении ротора 51 по стрелке V. В это же время в полости V1 блока Б2 давление повышается за счет уменьшена ее объема при вращении ротора, при этом из полости V1 через выпускное окно 13, через охладитель 14, по стрелке V2, трубкам 15, рабочее тело поступает в конденсатор Б регенератора 9. где происходит предварительный его нагрев, далее через нагреватель 8 горячее рабочее тело поступает в рительный его нагрев, далее, через нагреватель 8 горячее рабочее тело через впускное окно 6 (при открытии его выемкой в торце ротора) поступает в полость расширения блока Б1. где, при расширении рабочего тела и его воздействии давлением на ротор 5, последний приводит во вращение эксцентриковый вал 2, который является выходным валом двигателя.

Таким образом в двигателе роторном по примеру 6 начинается процесс вращения выходного вала. Ротора и эксцентрики в блоках Б1 и Б2 могоут быть установлены в

пределах от 0 до 18В.

П ри ме р7. На фиг. 12 в двух проекциях изображен двигатель роторный внешнего сгорания, содержащий два подобных блока, установленных на общем основании 1, рото0 ра блоков связаны одним эксцентриковым валом 2 и установлены один относительно другого под углом 90°. В отличие от двигателя по примеру 6, в примере 7 блок Б2 также содержит нагреватель и регенератор, и уча5 ствует в создании момента вращения на валу 2. Данная конструкция позволит увеличить удельную мощность двигателя.

Двигатель роторный внешнего сгорания, показанный на фиг.12А, Б, В включает:

0 два корпуса 3 и 3 , два впускных окнах 6и61,

два выпускных окна 7 и 7 , два нагревателя 8 и 81,

два регенератора 9 и 9 , два охладителя

5 10 и 101.

полюса 11 и 11 - конхоидных рабочих камер, рабочие полости V1 и V2, которые изменяют свой объем при вращении роторов 5 и 51.

0 Рабочее тело при работе двигателя, содержащего блоки Б1 и Б2, перемещается в одном направлении через всю систему от выпускного окна 7 блока Б1, через испаритель А регенератора 9, по стрелке VI через

5 охладитель 10, конденсатор Б регенератора

9 , нагреватель 8 , впускное окно б1 блока Б2, выпускное окно 71, по стрелке V2 через испаритель А регенератора 9 , охладитель

10 по стрелке V2 через конденсатор Б реге0 нератора 9 блока Б1, нагреватель 8, впускное окно 6 блока Б1, полость расширения блока Б1, замыкая, таким образом канал, по которому проходит рабочее тело при работе двигателя. Далее процесс повторяется цик5 лически при вращении эксцентрикового вала, причем, за один оборот вала на 360°, этот процесс повторяется два раза.

Каждый ротор одновременно участвует в двух, при этом, в данном двигателе двои0 ного действия каждый ротор выполняет две функции: заполнение рабочим телом полости расширения переменного объема и вытеснение рабочего тела из полости также переменного объема; передачу усилия на

5 эксцентриковый (выходной) вал двигателя.

Работа двигателя протекает подобно двигателю, описанному в примере 2, с тем отличием, что в наполнении рабочим телом полости расширения, например, блока Б1, используется повышение давления в полости сжатия блока Б2, аналогично протекает процесс при наполнении рабочим телом полости расширения блока Б2, поэтому более подобно описание работы не приводим вследствие ее простоты и очевидности. .

При решении вопроса о выборе оптимального варианта двигателя роторного с внешним сгоранием следует в основу выбора принять технические требования к такому двигателю.

При требовании обеспечения таким двигателем, например, условий: самопуска и малых вибраций - целесообразно в основу его конструкции принять двигатель по примеру 7, выполненный с учетом схемы не менее четырех двигателей по примеру 4.

Форму л а изобретения

ротора, размещенного в корпусе и установленного на эксцентриковом валу двигателя.

PW2.f

Фиг.4

Фиг. 5

6f

Фиг.II

52

Фиг.f2

Составитель А, Чащинов Техред М.Моргентал Корректор н.Гунько

Редактор

Заказ 415Тираж Подписное г„итгггр

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКН1 Lixr

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5