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

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для разработки двигателей внешнего сгора Г: ; . ния..:/ ;:/ -/:;:.; .. ;...-.. . .,.. :. .. .:.-. . ;Целью изобретения является упрощение конструкции ротора роторного двигателя, что позволит снизить трудоемкость его производства при одновременном повышении уравно вёшиваемости предложенного :.;-;. - Л; устройства. ;/;---; ;;;/.:.:; . ./;... ; . :..../--. С целью угфощения конструкции ротор двигатели выполнен двухвершинным (ром- ;: :... ; бЬвйдным)с конхоиднойрадиальной повер-: ; v ;:/;: XHOcttio двух, его -сторон и установлен на

;; -, . эксцентриковом валу в рабочей камере, ра- г : лдиальная поверхйо сть которой выполнена .;.;-% -v-йтакже по конхо1лдег рабочая камера делится , ./ ;...:, -ротором на две камеры, объёмы которых :; :/:: изменяются, при вращении ротора от нуля 3}Ч; :др максимального Значения - циклически;

:4;-;/ оси.полисов конхоид рабочей камеры и ро- 4 .;: ;;л;:;:тера:соамёщены| при работе двигателя ось

N/; i v-: ротора движется по дснавной окружности

й I;; ; .конхоиды, а верши ни ротора движутся ;по ;i:: рздййльной конхоиднай поверхности рабо- № ;xj ; чей камеры, .что обеспечивается дву1ия;Щес-::

V Г:: J -тернями с передаточным .отношением 1:2, / : S . при этом ротор вращается на подшипнике, ;;;/ : который приводитея sдвижение эксцентри- .ком.вала, который является выходнымаа /Ь: лом (валом нагрузки) двигателя. : ;

Г-;:; :;:; С целью уеилен ия механической св яэи ,:ч: ротора с эксцентриковым валом, что рсо Ц;-,: л:;:;ч бённб.важнй для мощных роторных двигй- ;;, у-гёлёй, введена дополнительно вторая ;/-;:- - у; зубчатая передачи, по параметрам рааная;

/:;:;::i;v; первой, но устаногзленная нз смежной ctov

-((-.-рЬнеротора. . V- ; . -- v ; -: .- . С целью гговщиения КПД регенератора :-. о -(который является, по сущесггау, рекулер а- г Ьд ;с л тором), он выполнен в виде тепловой труб- ; /;(;: Уки, в которой установлены трубматые :У-Р; v;;-; испаритель и конденсатор. при атом тепло- :;:Р1:-: вая трубка располагается наружной, сто- ;;v/ .у ; .: V роке корпуса двигателя. i : / ; ;..: /ч , V; ,; Для полного исключения вибрации ро1- -;: торного двигателя приведены варианты еы- ;;.;:/ : - пол нения конструкции предложенного

:;:Д - I.:: оустройства, каждое из которых включает;

;Г :; ; блохи (двигатели), установленные на общем

. :;:( основании, роторы которых связаны одним

;эксцентриковым валом; при работе каждого

. . ; .; такЬго (назовем - многоцилиндрового) дви:: гателя будет обеспечена идеальная сбалан }: ; (. у сированность в сумме всех сил инерции

: / вращающихся масс (ротора, эксцентрики и

. :: ДР.) всех блоков-двигателей, установленных

.; : / на о$щём основании- без применения.спе : Г циальных балансиров при любых рабочих

,оборотах общего эксцентрикового вала.

Таким образом, при отсутствии в двигателе периодических внутренних взрывов, .как в ДВС, и наличии идеальной сбалансированности вращающихся масс проблема балансировки роторного двигателя решена: С целью повышения КПД двигателя предлЬжено в конструкцию эксцентрика эксцентрикового вала ввести канавы, по которым пропускать часть рабочего тела, отхо- дяЩего из выходного окна рабочей камеры, что поз болит нагребать эксцентрик; : /.: Для улучшения работы двигателя в его гадовый канал перёд конденсаторрм пред- ложено включить дополнительно расшйри- тел ьную; пол ость охлаждения. :vj:;V;-v ; - ,/ - : П р и мер ,1, На фиг.1 показана койст- рукТивная схема рОтйрного двигателя внеш- него сгорания |з четцрех проекциях: .на. . ti A №n jE| BEH Te fl;H;Mo Kyr Ha Mr.: TB -. вид двигатбля вдоль оЬи эксцентрикового зйла 3, при этой показаны раздельно корinyc 1 цилиндрической:наружной формы с конхоидной рабочей камерой, которая де- : лится на две полости in Ид$ухвер1ииннЫм ротором 2, обе радиалъныб.сторойы которо- ; го выполнены такж$, как и рабочей каме.ры, :по конхоиде; при вращении ротора :2йокруг вала 3 обьемы полостей 1.и 11 поочередно, изменяются от нуля; до наибольшего значе- ния, бпрёдёляемого разностью объёмов рабочей камеры и ротора, при этом например, если объем полости} равен нулю, то объем полости И досл игаетнайболъшегЬ значения;. Регенератор А выполнен в виде: тёилРвЬй .трубки, где конец A, Q зоне которого уста- металлические трубки 6, по кото- рым при работе двитателя проходит горячее рабочее тело (гелий ит,«.}, является.йспари- тёлеи, а конец Б, а зоне которого располо жены металлические трубки 7, к .которым при работе Двигателя поступает из охлади-: теля 5 холодное рабочее теЛо, является кон- денсаторо м: ;;,:/ч/;::у -/и -,/ .;;;. : . :; .; ;,..; : . Принцип, действия тепловой трубки заключается в перенасетепла находящимся в замкнутом простраистве:вещёс;гвом с фазо-. -вым переходом, быполнёние ретёнератрра 4, работающего по принципу действия теп ловой трубки, стало возможный потому, что

при работе предложенного роторного двигатели направление потока рабочего тела

(гелий и т.п.) яйляется неизменным, т.е. регенератор 4 по существу является рекуператором. Поскольку регенератор является

самым важным теплообменником системы двигателя внешнего сгорания, то выбор в данном примере в качестве регенератора, тепловой трубки являётся целью получения более высокого КПД двигателя за счет Сни- жения аэродинамического сопротивления и

задержки рабочего тела (гелий и т.п.) при движении по трубчатому теплообменнику в сравнении с регенератором из пористого материала двигателей Стирлинга, а также за счет дополнительного нагрева корпуса двигателя (фиг.1, Г, зона С-С) теплом, поступающим по тепловой трубке от зоны А испарителя в зону Б конденсатора регенератора А. Естественно, что в предложенном роторном двигателе возможно применение и других типов трубчатых теплообменников.

На фиг.1В показан вид двигателя сверху, на фиг. 1 Г, подобно фиг. 1Б, - вид двига- . теля вдоль вала 3, с отличием в том, что регенератор 4 и нагреватель 9 установлены на корпусе без зазоров; кроме того, в газовый канал между охладителем 5 и регенератором 4 в зоне Б введен клапан 11, нормально закрытый, который при работе двигателя изме- няет свое положение, например, под воздействием разности давлений Р и Р1 или посредством механического кулачкового механизма; для управления потоком рабочего тела из охладителя 5 в регенератор 4 может быть применен также золотниковый клапан 12. Рабочий объем роторного двигателя, который заполняется рабочим телом, например гелием, при давлении 10-20 МПа, включает объемы рабочей камеры корпуса, охладителя и соединяющих их металлических трубок, размещаемых в регенераторе и нагревателе.

Перед описанием работы предложенного роторного двигателя, для более четкого понимания особенностей его конструкции, рассмотрим пример конструктивного решения корпуса этого двигателя и входящих в него основных деталей-ротора и др., а также, графическим методом проанализируем соотношения размеров отдельных конст- руктивных величин, влияющих на параметры двигателя и выберем, оптимальный вариант основных конструктивных соотношений и размеров деталей в относительных величинах..

На фиг. 2А, Б, В показаны взаимосвязи деталей предложенного роторного двигателя, где в корпусе 1 размещен эксцентриковый вал 2 с эксцентриком 3, на котором посредством подшипника 4 установлен ро- тор 5, на торцовой стороне которого жестко укреплена шестерня 6, имеющая внутреннее зацепление и связанная с шестерней 8 с внешним зацеплением, неподвижно закрепленной на крышке 7: внутри шестерни 8 установлен подшипник 9, закрепленный кольцом 10, на валу 2 укреплен маховик- противовес 11.

С другой стороны корпус 1 закрыт крышкой 12, в которой установлен подшипник 13, закрепленный кольцом 14. на валу 2 укреплен второй маховик-противовес 15.

На фиг. 1Б в корпусе 1, симметрично относительно плоскости И-К, проходящей через ось вращения вала 2 и полюс конхоиды рабочей камеры, выполнены впускное окно 16 и выпускное окно 17. На фиг. 2Г показаны уплотнения,установленные на роторе, включающие радиальные пластины 18 и торцовые уплотнения 19с сухариками 20, подобные применяемым в роторно-поршне- вых двигателях. В качестве материала для радиальных и торцовых уплотнений может быть применен тефлон, не требующий смазки.

На фиг.ЗА показаны основные детали предложенного роторного двигателя, размещенные для наглядности, вдоль вала 2: корпус 1, эксцентрик 3, шарикоподшипник 4 (можно применить металлофторопласто- вый подшипник скольжения, не требующий смазки, ротор 5, шестерня 6 с внутренним зацеплением, жестко укрепляемая на рото- .ре 5, крышка 7, 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 чисел зубьев шестерен 8 и 6 равно 1:2.

Выбор формы боковой (радиальной) поверхности рабочей камеры корпуса двигателя проведен на основании анализа ряда ко нхоидных поверхностей. На фиг. ЗБ показаны три конхоиды, у которых основная окружность имеет диаметр а с центром в точке О и полюсом в точке 01, где радиус-вектор конхоиды г равен - I, а конхоид в и б соответственно меньше, при этом:

для конхоиды г отношение (сплош3

пая линия),

для конхоиды в отношение --2 (штрихэ

пунктирная линия), . для конхоиды б отношение

:1,5 (пунктирная линия).

Анализ форм конхоид, приведенных на

фиг. ЗБ, показывает, что при - 2 конхои3

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

Для показанной на фиг.ЗБ-г конхоиды,

отношение , при этом отношение ее наЭ

ибольшего размера - диаметра по горизонтали (параллельного линии 1-1) к наибольшему размеру - диаметру по вертикали (4-4) составляет 1,06, что близко к окружности; для наглядности на фиг. ЗБ обозначены: кон-конхоида, ОК-окружность.

Кроме того, на фиг, ЗБ линиями 7-1,2- 2,3-3,4-4,5-5,6-6, проходящими через полюс 01 и основную окружность с центром в точке 0, показаны положения, которые будет занимать линия, соединяющая вершины ротора двигателя при его вращении вокруг оси 0 и точки пересечения с основной окружностью диаметром - а; линия (4-4) проходит через вершины конхоиды.

На фиг.ЗВ показаны детали фиг. 2Б, где, изменено положение ротора 5, при этом радиальные уплотнения ротора 5 находятся ниже впускного 16 и выпускного 17 окон для того, чтобы эти окна были герметично изолированы одно от другого при любом положении ротора в рабочей камере двигателя при условии, что между конхоидными поверхностями рабочей камеры двигателя и ротора в положении, показанном на фиг. 3В, обеспечено конструкцией отсутствие зазоров, Впускное 16 и выпускное окна двигателя целесообразно выполнять в виде щелей по длине его корпуса.

На фиг.4А показаны: корпус 5, эксцентриковый вал 2, полость расширения V1 и полость сжатия V2 рабочей камеры двигателя, впускное окно 16, через которое поступает в полость расширения V1 рабочее тело со скоростью v1, впускное окно 17, через которое ротором при его вращении выталкивается из полости сжатия V2 рабочее тело со скоростью v 2, и линия И-К, соединяющая вершины ротора и проходящая через.полюс конхоиды рабочей камеры и ротора.

На фиг.4А ротор показан в исходном положении (не вращается), линия И-К пересекает нижние края окон 16 и 17 и проходит через полюс конхоиды; верхняя радиальная конхоидная поверхность ротора соприкаса- ;ется с радиальной конхоидной поверхностью рабочей камеры двигателя, а полость V1 отсутствует, объем рабочей камеры двигателя равен объему полости, отмеченной кружками на фиг.4А, потока рабочего тела нет;

.на фиг.4Б - ротор повернулся по часовой стрелке, а линия И-К, проходящая через полюс конхоиды, повернулась на угол 20° по часовой стрелке, при этом через впускное окно 16 со скоростью VI поступает в полость V1 рабочее тело, а через впускное окно 17 со скоростью V2 рабочее тело выталкивается ротором из полости V2; на фиг.4В - ротор повернулся по часовой стрелке, а линия И-К, проходящая через полюс конхоиды, повернулась на 60° относительно исходного положения на фиг. 4А, увеличенный объем полости V1 заполнен рабочим телом, а из уменьшенного объём полости V2 часть рабочего тела вытеснена ротором;

на 4Г, 4Д, 4Е - постепенное увеличение объема полости VI и уменьшение объема полости V2, из которого рабочее тело выталкивается ротором,

Таким образом, как видно по изменению

положения эксцентрика на фиг.4А-Б-В-Г-Д-Ё, при повороте ротора на 180° эксцентриковый вал повернется на 360°.:

Рассмотрим работу предложенного двигателя, показанного на фиг. 5, с учетом

фиг.1-4.

На фиг.5 А-Г, показано образование момента вращения и поворот эксцентрикового (выходного) вала 3 с эксцентриком 31 роторного двигателя,

На фиг. 5 показан двигатель, на фиг. 5А: в корпусе 1 с конхоидной рабочей камерой, имеющей полости VI и V2. расположен ротор 2, установленный на эксцентрике З1, жестко связанном с валом 3, регенератор 4

выполнен в виде тепловой трубки, конец А,

в зоне которого установлены металлические

трубки б, по которым при работе двигателя

проходит горячее рабочее тело (гелий и т.п.)

в направлении, показанном стрелкой v1, является испарителем, а конец Б, в зоне которого расположены металлические трубки 7, к которым при работе двигателя поступает из охладителя 5 через клапан 11 холодное рабочее тело, является конденсатором.

Рабочий объем устройства, показанного на фиг. 5А, представляет собой замкнутый объем, включающий соединенные последовательно: объем камеры V2, объем пучка трубок 6, объем камеры V1. Этот замкнутый

объем устройства заполнен рабочим газом,

например гелием, прибавлении 10-20 МПа, который не горит и позволяет обеспечить высокие коэффициенты тепло-маесообмена при относительно невысоком уровне гидравлических потерь.

Для объяснения и понимания момента начала вращения эксцентрикового вала двигателя рассмотрим на фиг.БА два его состояния: первое: клапан 11 закрыт, но подогрев

нагревателя 9 отсутствует; в этом состоянии , на противоположные радиальные конхоидные поверхности ротора 2 действуют равные величины давлений, например 100 МПа, следовательно, на эксцентрике

3 и валу 3 момент вращения отсутствует; второе: клапан 11 закрыт, но к нагревателю 9 подведено тепло, (например: в на-, гревателе сжигается топливо-бензин), что приведет к повышению температуры трубок 8 и части корпуса двигателя, прилегающей к нагревателю, что, следовательно, вызовет повышение температуры рабочего газа и давления Pf с полости V1, например, до16,ОМПа.

При возникновении разности давлений в рабочих полостях V1 и V2, величина которого, в примере, равна 16,0-10,,0 МПа, и при величине эксцентриситета, определяемой конструкцией устройства, возникает момент вращения эксцентрикового вала 3, который является выходным валом этого двигателя, вал 3 начнет вращение по часовой стрелке в направлении V1. При этом гелий в полости V начнет расширяться, его давление РТ начнет уменьшаться, объем полости V1 начнет увеличиваться, а полости V2, соответственно, уменьшаться; рабочее тело из полости V2 будет выталкиваться ротором 2 в трубки 6 и далее в охладитель 5, Продолжение процесса расширения газа и увеличение объема полости V1 показано на фиг.б Б и фиг. 5В, где клапан 11 закрыт. Поворот ротора 2, эксцентрика 31 и вала 3 вокруг его оси будет продолжаться до тех пор, пока давление Р1 (под клапаном 11) и, соответственно, в полости V1, а также давление Р в охладителе 5 не уравняются.

На фи. 5Г показана проекция роторного двигателя, когда ротор прошел положение, при котором его вершины находились на уровне нижних кромок отверстий труб б и 8 (см. фиг.4А), при этом вновь образовалась полость V1, клапан 11 открылся, и через него начал поступать из охладителя 5 через трубки 7 конденсатора (регенератора 4) и трубки 8 нагревателя 9 горячий рабочий газ-гелий в полость V1, что показано стрелками. Поступление рабочего газа прекращается и клапан 11 закроется тогда, когда ротор 2 займет, для примера, положение, показанное на фиг.5А. Далее этот рабочий процесс двигателя повторяется.

При последующих циклах, когда гелий, выталкиваемый из полости V2, будет горячим, этот газ, проходя по трубкам 6, нагреет конец А тепловой трубки 4 (регенератора), являющегося испарителем, далее за счет передачи тепла к конденсатору (конец Б тепловой трубки) и нагрева трубок 7 будет нагреваться гелий, проходящий из охладителя по этим трубкам 7. Таким образом будет обеспечен процесс регенерации тепла за счет применения в двигателе в качестве регенератора тепловой трубки.

Для непрерывного повторения описанного процесса, т.е. для обеспечения нормальной работы роторного двигателя и создания постоянного момента вращения на его эксцентриковом (выходном) валу 3 необходимо на этом валу установить маховик, а также стартер для придания валу 3, эксцентрику 31 и ротору 2 исходного момента вращения, т.е. для производства запуска и работы двигателя.. : 5 Создание непрерывного вращения выходного вала 3 двигателя без применения маховика и стартера возможно, если соединить последовательно выходные валы 3 нескольких двигателей, установленных на

10 одном основании, при этом например, роторы, эксцентрики или полюса конхоид этих двигателей необходимо установить один относительно другого смещенными, например, на 90° и т.д., в зависимости от количества этих

15 двигателей.

П р и м е р 2, С целью обеспечения большей равномерности непрерывного момента вращения выходного вала на фиг.6 показано устройство, включающее два оди0 наковых двигателя (блок Б1 и блок Б2), каждый из которых аналогичен двигателю, описанному в примере 1, блоки Б1 и Б2 установлены на одном основании, а роторы установлены на общем эксцентриковом ва5 лу и развернуты один относительно другого на 90°.

На фиг. 6А показан двигатель - блок Б1,

содержащий корпус 1, ротор 2, вал 3, реге: нератор 4, охладитель 5, трубки 6, располо0 женные в зоне нагревателя регенератора 4, трубки 8 нагревателя 9, клапан 11, рабочая полость V1 (вторая полость в данный момент на фиг, 6А не показана, поскольку радиальная поверхность ротора и

5 поверхность конхоидной рабочей камеры в ее верхней части между впускным и выпуск- ным окнами корпуса 1 расположены с минимальным зазором).

На фиг. 6А-Б2 показан двигатель Б2, в

0 котором эксцентрик расположен с поворотом

. на 180° относительно эксцентрика двигателя

Б1, а ротор повернут на 90° относительно

ротора двигателя Б1. Оба эксцентрика ирото

ра двигателей 51 и Б2 связаны общим валом 3.

5 На фиг. 6А-Д показано диаметральное расположение эксцентриков двигателей Б1 и Б2 на общем валу устройства.

На фиг. 6А-Б-В-Г в левой колонке пока- 0 заио последовательно изменение положения ротора двигателя Б1, а на фиг. 6А-Б-В-Г изменение положения ротора двигателя Б2, при этом угол между роторами и эксцентриками на фиг, 6Д в колонках по горизонтали 5 (Б1-Б2) остается неизменным.

Проведем анализ образования на фиг. 6 суммарных сил в полостях V1 и V2 доигате- лей Б1 и Б2 при повышении температуры в их нагреаателях (например, при сжигании топлива) и создания моментов вращения на

общем эксцентриковом валу 3, положив в основу описание работы роторного двигателя в примере 1.

Анализируя фиг, 6А видим, что давление Р2 возникает в полости V2 двигателя Б2, что показано на фиг.бЕ, где суммарный момент вращения равен моменту вращения двига-. теля Б2;аналогично, на фиг. 6Б, силы давления Р2 образуются в полости V2 двигателя Б2, при этом суммарный момент вращения на валу 3 обусловлен работой двигателя Б2.

На фиг. 6 В видим, что силы давления Р1 также возникли в полости V1 двигателя Б1, а суммарный момент вращения на валу ра-- вен сумме моментов .вращения,.создавае- мых обоими двигателями Б1 и Б2, что отражено на диаграмме фиг. 6Д-В,

На фиг.бГ, по аналогий с рассмотренным выше, суммарный момент вращения вала равен моменту вращения, создаваемому двигателем Б1, в этот момент в двигателе Б2 клапан 11 открыт и в полость V2 поступает из нагревателя горячее рабочее тело-гелий.V . .

Приведенный анализ работы двигателя по примеру 2 и фиг. 6 позволяет сделать вывод о том, что суммарный момент вращения эксцентрикового вала в любой момент будет больше нуля, т.е. на валу двигателя будет действовать непрерывно момент вращения. /;

Необходимо отметить, что при объединении в общее устройство на одном эксцентриковом валу нескольких таких двигателей со смещенными по фазе роторами и эксцентриками существенно упрощается сбаланси рованность вращающихся масс роторного двигателя.

П р им е р 3. Для увеличения равномерности момента вращения выходного вала-на фиг, 7 показано устройство, включающее три одинаковых роторных двигателя (блок 51, блок Б2, блок БЗ). каждый из которых аналогичен двигателю, показанному в примере 1, блоки Б1, Б2 и БЗ установлены на одном основании, роторы размещены на общем эксцентриковом валу под углом 120° один относительно другого вместе с. зксцён- триками. На фиг. 7 по вертикали сверху вниз показано изменение положения роторов в блоках 51, Б2 к БЗ при повороте эксцентрикового вала по часовой стрелке и, соответственно, изменение объемов полостей рабочих камер, в которых стрелками показано действие сил давления Р, возникающих в полостях при нагреве рабочего тела, например - гелия. Взаимное изменение поло- жения эксцентриков в блоках 51,52, БЗ при повороте эксцентрикового вала по часовой

стрелке показано на фиг. 8А, а моменты вращения, создаваемые в каждом блоке, и суммарный момент вращения на выходном валу показан на диаграммах фиг.ЗБ. анализ

которых позволяет сделать вывод о том, что в любой момент поворота эксцентрикового вала в создании момента вращения этого вала задействовано два блока.

Для улучшения сбалансированности

0 этого трехблочного устройства целесообразно количество таких блоков увеличить до шести, при этом необходимо эксцентрики и роторы устанавливать в пары диаметрально противоположно к оси вала,

5 .. Пример 4.С целью упрощения динамической балансировки вращающихся масс и повышения стабильности момента вращений выходного вала роторного двигателя, на фиг. 9А показано устройство (двигатель), со0 держащее четыре двигателя - блоки 1, 2, 3, 4, каждый из которых аналогичен роторному двигателю, описанному в примере 1. На фиг. 9А блоки 1-4 связаны одним эксцентриковым валом 5 и установлены на общем основа5 Htiyt 6, вершины роторов обозначены буквами а-б, конхоидные рабочие полости обозначены V1 - V4, V41, полюс конхоиды рабочей камеры блока 1 обозначен 01, блока 2-02, блока 3 - 03, блока 4 - 04.

0 Особенностью данной конструкции двигателя является то, что полюса конхоид и роторов блоков 1 и 2, а также блоков 3 и 4 расположены диаметрально противоположно оси вала 5, а линии, соединяющие верши5 ны 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 перпен0 дикулярными, например, линии между вершинами блоков 1 и 3, 2 и 4.

Анализ фиг. 9А показывает, что вращающиеся массы блоков 1 и 2, а также 3 и 4 являются взаимно сбалансированными, а

5 следовательно, сбалансированы вращающиеся массы и всего устройства из четырех блоков. При увеличении на одном эксцентриковом валу количество таких блоков сбалансированность будет повышаться.

0 П р и ме р 5. С целью конструктивного обеспечения полной динамической сбалансированности роторного двигателя на фиг. 9Б, В, Г приведено устройство, состоящее из трех двигателей - блоков Б1, Б2 и БЗ,

5 каждый из которых подобен роторному двигателю, описанному в примере 1. но без противовесов. В устройстве по примеру 4 ротора эксцентрики всех трех блоков Б1 ,Б2 и БЗ установлены на одном эксцентриковом валу 1 таким образом, что полюса конхоид

рабочих камер блоков Б1 и БЗ расположены противоположно полюсу конхоиды рабочей камеры блока Б2; рабочие камеры и роторы всех блоков имеют соответственно равные сечения в плоскости, перпендикулярной оси эксцентрикового вала, длина корпуса блока Б2 примерно соответствует сумме длин корпусов блоков Б1 и БЗ, при этом непременным является требование к конструкции устройств, что вращающиеся массы блока Б2 (включающие ротор, эксцентрик, шестерни, охлаждающие х идкости и др.) должны быть равными сумме вращающихся масс блоков Б1 и Б2 при равных плечах вращения этих масс.

На фиг. 10 показаны три блока Б1, Б2, БЗ развернутыми на одном общема эксцентриковом валу, блок Б1 включает корпус 1, полюс 2, ротор 3 с вершинами а, б, выпускное окно 4, впускное окно 5, основание 17, общее для всех трех блоков; ниже по вертикали На фиг. 9Б, В, Г показано изменение положения ротора 3 и объемов рабочих полостей V1 и V11 при вращении вала 16 по часовой стрелке в направлении V;

блок Б2 включает корпус 6, полюс 7, ротор 8, впускное окно 9, выпускное окно 10, основание 17; ниже по вертикали на фиг. 9Б, В, Г показано изменение положения ротора 8 и объемов V2 и V2 при вращении вала 16;

блок БЗ включает корпус 11, полюс 12, ротор 13, выпускное окно 14, впускное окно 15, эксцентриковый (выходной) вал 16, основание 17; ниже на фиг. 9Б, В, Г показано изменение положения ротора 13 и объемов V3 и V3 при вращении вала 16 по стрелке V,

Анализ изменения взаимного положения роторов 3,8 и 13 соответственно блоков Б1, Б2 и БЗ при их одновременном вращении по часовой стрелке на общем эксцентриковом валу 16, приведенных на фиг. 9А, 9Б, 9В, 9Г с учетом конструктивных требований для обеспечения динамической сбалансированности вращающихся масс этих блоков, позволяет сделать вывод о том, что каждый из роторов 3, 0, 13, вращаясь по конхоиде в своем блоке (двигателе), находится в любой момент времени диаметрально противоположно относительно оси эксцентрикового пала, с соседним ротором, т,е. линии, соединяющие вершины этих роторов, всегда параллельны, а следовательно, их вращающиеся массы всегда сбалансированы без противовесов.

Следовательно; описанный в примере 4 трехблочный роторный двигатель является полностью сбалансированным.

Пример 6. С целью обеспечения возможности увеличения мощности двигателя при неизменном диаметре его корпуса, а также повышения надежности его работы 5 за счетусиления связи между вращающимися и неподвижными деталями устройства - между ротором и второй крышкой корпуса введена вторая пара шестерен, аналогичная первой паре шестерен, связанных с первой

0 крышкой корпуса двигателя. Устройство по примеру 6 показано на фиг. 11 в трех проекциях, а на фиг. 12 показано развернутым по деталям вдоль оси вала 2. Данное устройство подобно показанному на фиг. 2 и фиг. ЗА,

5 которые описаны в примере 1, и отличается лишь тем, что дополнительно введена вторая пара шестерен для усиления связи между ротором и второй крышкой двигателя, что позволяет увеличить длину ротора по оси

0 вала, а следовательно, повысить мощность двигателя при неизменном диаметре его корпуса. Таким образом, в устройстве, приведенном на фиг.11 и фиг. 12А, в отличие от такого же по назначению устройства в при5 мере 1, имеются две равные шестерни 6 и 12с внутренним зацеплением, установленные на торцовых сторонах ротора 5, и две неподвижные шестерни 8 и 14 с внешним зацеплением, жестко связанные с крыщка0 ми 3 и 13 корпуса 1 роторного двигателя. В

остальном устройство по примеру 6 взаимозаменяет устройство, показанное на фиг.2 в

примере 1.

.Пример 7. На фиг. 12Б на общем

5 эксцентриковом валу 1 расположены два роторных устройства, одно устройство, вклю- чающее: корпус 2 с ротордм, установленным на эксцентрике вала 1, нагреватель 3, регенератор 4, выполненный в виде тепловой

0 трубки, где конец А является испарителем, а конец Б - конденсатором, охладитель 5 и клепан 7 (например, газоуправляемый, золотниковый и т.п.) является роторным двигателем, описанным в примере 1; второе

5 устройство 6, предназначенное для улучшения наполнения рабочим телом камеры расширения корпуса 2, является блоком расширения и сжатия рабочего тела, движение которого показано стрелкой VI при вра0 щении эксцентрикового вала по стрелке V.

При работе двигателя по примеру 7 го- . рячее рабочее тело из полости сжатия корпуса 2 через регенератор 4 (конец А - испаритель) в направлении стрелки V1 по5 ступает о полость расширения корпуса б, далее через охладитель 5, клапан 7, регенератор 4 (конец Б - конденсатор) нагретое рабочее тело поступает в нагреватель 3 и камеру расширения корпуса 2, замыкая тем самым цикл работы двигателя.

Роторы и эксцентрики в корпусах 2 и 6 устанавливаются один относительно другого под углом 0, 90°, 180° с учетом выполнения требований их балансировки.

Пример 8. На фиг. 12 В показан двигатель, где посредством общего эксцентрикового вала 1 связаны два двигателя, каждый из которых подобен устройству, приведенному в примере 1, и включает корпус, нагреватель, охладитель, регенератор и клапан, но отличается тем, что названные элементы каждого из двигателей включены в общий канал, по которому перемещается рабочее тело при работе двигателя, в следующей последовательности: из камеры сжатия корпуса 2 по стрелке V рабочее тело через регенератор 4 (конец А - испаритель) поступает в охладитель 5, далее через регенератор 8 (конец Б-конденсатор) поступает в нагреватель 6 и камеру расширения корпуса 7, из камеры сжатия корпуса 7 по стрелке V через регенератор 8 (конец А - испаритель) поступает в охладитель 9, perew нератор 4 (конец Б - конденсатор) и нагреватель 3 поступает в камеру расширения корпуса 2, замыкая, таким образом канал, по которому проходит рабочее тело при работе устройства. Клапаны 10 и 11 служат для управления потоком рабочего тела по каналу - рабочему объему устройства. Ротора и эксцентрики в корпусах 2 и 3 устанавливаются на эксцентриковом валу 1 под углом один к другому, предпочтительная их установка -0, 90°, 180° - с учетом положения полюсов и конхоид рабочих камер каждого отдельного двигателя блока для обеспечения сбалансированности вращающихся масс. Направление теплоты в регенераторах 4 и 8 показано стрелками от А к Б. Регенераторы 4 и 8 в примере 8 предложено выполнять в виде тепловых трубок, хотя, естественно, они могут быть выполнены трубчатыми и т.п. Направление вращения общего эксцентрикового вала 1 на фиг. 12 В показано стрелкой V1.

Таким образом, комбинация из этих двух двигателей, соединенных по схеме фиг. 12В, приводит к двум отдельным, но взаимосвязанным системам, в каждой из которых осуществляются два полных цикла за один оборот ротора.

Пример 9. На фиг. 13 показан двигатель, основой которого является устройство, описанное в примере 1. С целью ускорения разогрева при запуске двигателя и повышения его КПД при работе, эксцентрик вала дополнительно снабжен полостями (каналами), по которым проходит нагретое рабочее тело или жидкость (например при запуске). Двигатель на фиг. 13 А и

13 Б включает основные детали: корпус 1, ротор 2, связанный с валом 3 посредством эксцентрика 4 и шестерен, эксцентрик 4 снабжен каналами 5 (для примера на фиг. 13

А и Б показан один канал 5), на корпусе 1 расположены впускное б и выпускное 7 окна, основание 8, вал 3 имеет канал 9 для подвода рабочего тела к каналам 5 эксцентрика и канал 91 для его отвода в систему

0 охлаждения или циркуляции. - ...

На фиг. 13 В и 13 Г показан эксцентрик 4, установленный на валу 3 с системой циркуляции рабочего тела, где для наглядности диаметры эксцентрика 4 и вала 3 увеличены.

5 Система циркуляции включает компрессор 16, трубопроводы 17 и 7, компенсатор 18, канал 8, кольцевые коллекторы 5К и 5 К1, каналы 5:и 51 в эксцентрике 4, обойму ТО с кольцевым каналом 12, трубопроводы 11,

0 13, 15, охладитель 14; направление движения рабочего тела показано стрелками V.

При исключении из устройства на фиг. 13 В элементов 14 - 18 и подключении эксцентрика 4 посредством трубопроводов 7 и

5 13 параллельно трубкам 6 на фиг. 1, видно, что в этом случае часть горячего рабочего тела, выходящего при работе двигателя из полости V1, будет проходить через каналы эксцентрика и нагревать его и ротор 2, спо0 собствуя тем самым разогреву ротора и корпуса при запуске этого двигателя, а также повышению его КПД в процессе работы за счет использования части тепла рабочего тела.

5 Работа двигателя по примеру 9 с устройством перемещения рабочего тела по каналам в эксцентрике ротора, подобна работе двигателя по примеру 1, поэтому более подробно не описывается.

0 Оптимальным является устройство, приведенное в примере 2 и близкое к нему, приведенное в примере 8 с роторами, установленными на общем эксцентриковом валу и развернутыми один относительно другого

5 на 90°.

Внедрение предложенного роторного двигателя внешнего сгорания в двигателе- строении в сравнении с аналогом-роторным двигателем фирмы Даймлер-Бенц позволит

0 создавать роторные двигатели внешнего сгорания требуемой мощности полностью уравновешенными без противовесов, работающими по двухтактному циклу; выполнять запуск двигателей при двух и более цилин5 драх без стартера и маховика.

В сравнении с поршневыми двигателями Стирлинга предлагаемый двигатель позволит исключить кривошипно-шатунный механизм из конструкции двигателя; упростить регенератор за счет исключения к нему требования, о получении (накоплении) и отдаче (возвращении) тепловой энергии со скоростью до 20000°С/с вследствие того, что в предложенном двигателе рабочее тело (гелий и др.) не изменяет направления своего движения в трубопроводах в рабочем режиме, т.е. регенератор работает как рекуператор; кроме того, при снятии указанного требования к регенератору открывается возможность увеличения числа оборотов ротора двигателя, а следовательно, дополнительного снижения его удельной массы и габаритов; обеспечить минимальное тепловое и инфракрасное оптическое излучение, что особо важно для военной техники. Формула изобретения

1. Роторный двигатель с внешним подводом теплоты, содержащий корпус с крышками, эксцентриковый вал, проходящий через крышки корпуса, ротор с торцовыми и радиальными уплотнениями, установленный на эксцентриковом салу и размещенный в корпусе так, что разделяет его объем на полость расширения и полость и магистраль подключения полостей одна к другой с установленными в ней нагревателем, регенератором, охладителем и органом управления потоком рабочего тела, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, ротор и корпус выполнены двухвершинными с конхоидной радиальной поверхностью их сторон, а ротор установлен на эксцентриковом валу с возможностью -шестеренчатого зацепления с соотношением передачи 1:2.

2. Двигатель поп. 1,отличающийся тем, что орган управления потоком рабочего телз выполнен в виде газодинамического или механически управляемого клапана, размещенного в магистрали между охладителем и регенератором.

3. Двигатель по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что регенератор выполнен в виде тепловой трубы.

4. Двигатель по пп.1 - 3, о т л и ч а ю- 5 щийся тем, что он снабжен дополнительной полостью расширения, включенной в магистраль перед охладителем,

5. Двигатель по пп. 1 - Л, о т л и ч а ю- щийся тем, что, с целью сокращения 0 времени запуска, в теле эксцентрика выполнены каналы, подключенные к магистрали циркуляции рабочего тела.

6. Двигатель по пп. 1 - 5, о т л и ч а ю- щийся тем, что, с целью повышения

5 равномерности крутящего момента, он снабжен дополнительным двигателем, причем роторы двигателей соединяют одним эксцентриковым валом, полюса конхоид располагают на одной оси, а плоскости, про0 ходящие через вершины роторов, являются перпендикулярными.

7. Двигатель по пп.1 - 5, о т л и ч а ю- щийся тем, что, с целью уменьшения вибраций, он снабжен дополнительным

5 двигателем, причем роторы двигателей соединяют одним эксцентриковым валом, по- . люса конхоид рабочих камер и роторов располагают диаметрально противоположно относительно оси эксцентрикового вала,

0 а плоскости сечения, проходящие через вершины роторов, - параллельны.

8. Двигатель по пп. 1-5, о т л и ч а ю- щийся тем, что, с целью увеличения удельной мощности, он снабжен дополнительным

5 двигателем, причем эксцентриковые валы двигателей соединены последовательно, экс- центрики и роторы смещены один относительно другого на угол до 180° включительно, а полостм расширения, и сжатия в теплооб0 меннике аппарата объединены при помощи соединительных каналов в общую систему.

. Фаг.7

ш

™ : -. :Ј :Г

Сущность изобретения заключается в том, что корпус и ротор двигателя выполне-- ны двухвершинным с конхойАнЬй радиальной поверхностью их сторон; ротор установлен на зксцентрйковом эалу с воз- можностыб шестеренчатого зацепления с/ соотношением Нёредачи 1:2, орган управления потоком рабочегб те/ia выполнен и виде газодинамического или механически упрйв- ляемого клапана, рйзмещённёго вiMarHctpia ли между охладителем и регейераторЬм, ;; который выполнен в виде тепловой трубы. ; Двигатель снабжен дополнительной полостью расширения, включенной в магистраль перед охладителем. 7 з.п. ф-Лы, 13 ил, ., ел е

об/

в-Щр-в.

ез ;

л -%

63 I

.

.0

ШГЖ