Тепловой роторный двигатель
Предполагаемое изобретение относится к области машиностроения. Целью создания нового двигателя является обеспечение возможности повышения эффективности его работы, а так же уменьшение износа трущихся поверхностей.
Поставленная цель достигается тем, что двигатель, содержащий корпус 1 с профилированной рабочей камерой 2 и охлаждающей полостью 25, в которой смонтирован теплообменник 26, а так же камеру нагрева 18, 19 и ротор 3 с разделительными лопатками 9, 10, 11 дополнительно оснащен воздухозаборной камерой 21, 22 и экраном 24. Экран 24 отделяет камеру нагрева 18, 19 от воздухозаборной камеры 21, 22. Обе камеры выполнены аналогично друг другу и состоят из двух (или более) частей, разделенных перегородками 20 и 23. При этом, рабочая камера 2, соединена с теплообменником 26 его отводами 29, 30 и каналами 27, 31, 32 корпуса 1. Кроме того, оси каналов 31, 32 входящих в рабочую камеру 2 расположены по касательной к окружности ротора 3. Разделительные лопатки 9, 10, 11 ротора 3 смонтированы с возможностью перекрытия каналов входа рабочего тела в теплообменник 26 и выхода из него. (фиг.5)
Предполагаемое изобретение относится к машиностроению и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства, изготавливающих и использующих двигатели как внутреннего, так и внешнего сгорания.
Известен тепловой двигатель внешнего сгорания [1]. Содержащий неподвижный корпус с профилированными рабочими камерами. На выходном валу установлен цилиндрический ротор, в радиальных пазах которого размещены разделительные лопатки, с расположенными внутри каналами для уравнивания давления газа в подлопаточных пространствах. В корпусе расположена камера нагрева и охлаждающая полость, по которой протекает охлаждающая жидкость. В полости диаметрально-противоположно установлены два охлаждающих элемента (например - холодильники). Камера нагрева содержит нагревательный элемент (например - форсунка). Рабочие камеры образованы между радиальными выступами корпуса, ротором и корпусом. Разделительные лопатки покрыты слоем твердой смазки.
К недостаткам известного двигателя относятся:
- отсутствие регенератора,
- малая площадь поверхности теплопередачи,
- повышенный износ лопаток и внутренней поверхности корпуса вследствие трения скольжения между корпусом и разделительными лопатками.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является тепловой роторный двигатель внешнего сгорания [2], содержащий корпус с профилированными рабочими камерами, охлаждающей полостью и камерой нагрева, в которой расположен нагревательный элемент, а также два противоположно расположенных холодильника и установленный па валу ротор, в пазах которого установлены разделительные лопатки. Один из холодильников имеет отводы, входящие в камеру нагрева, которая разделена на несколько частей перегородками, ротор снабжен уплотнениями, закрепленными на его торцах. Отводы выполнены расширяющимися книзу и имеют в поперечном сечении форму линзы, а внутри - сепарации. Уплотнения выполнены таким образом, что подлопаточные и подкрышечные пространства сообщаются между собой.
Разделительные лопатки имеют желоба, в которых размещены цилиндры.
К недостаткам двигателя, принятого за прототип, также следует отнести его невысокую эффективность в работе в следствии: короткого пути охлаждения рабочего тела, наличие пульсаций рабочего тела в рабочих камерах, что приводит к неравномерности вращающегося момента при вращении ротора, отсутствие воздухозаборной камеры в которой рабочее дополнительно охлаждается воздухом а воздух, идущий в камеру нагрева, предварительно нагревается. Кроме того, не используется инерция расширяющегося тела. Известный двигатель менее надежен в работе, так как имеет такой конструктивный недостаток как наличие двух рабочих камер вместо одной, что приводит к увеличению износа разделительных лопаток и пазов ротора в два раза.
Целью создания данного технического решения является: повышение эффективности двигателя за счет увеличения пути охлаждения рабочего тела, использования инерции расширяющегося рабочего тела, создания в двигателе воздухозаборной камеры, уничтожения пульсации давления рабочего тела в рабочих камерах.
Попутной задачей является повышение надежности двигателя в работе путем уменьшения износа поверхностей разделительных лопаток и пазов ротора.
Эти задачи решаются за счет того, что роторный двигатель, содержащий корпус с профилированной рабочей камерой и охлаждающей полостью, в которой расположен теплообменник, камера нагрева и ротор с разделительными лопатками, дополнительно снабжен воздухозаборной камерой отделенной экраном от камеры нагрева, а рабочая камера и теплообменник соединены между собой отводами теплообменника и каналами корпуса. Кроме того, оси каналов входящих в рабочую камеру двигателя, расположены по касательной к окружности ротора. При этом, разделительные лопатки смонтированы под углом, дающим возможность перекрытия лопатками каналов входа рабочего тела в теплообменник и выхода из него.
За счет того, что два теплообменника объединены в один - увеличивается путь охлаждения рабочего тела, следовательно, увеличивается разность температур и давления между нагревом и охлаждением рабочего тела.
Угол между разделительными лопатками (и их количество) создан таким, что они при любом своем положении перекрывают собой каналы 31, 32 и каналы 27. В следствие чего исчезают пульсации давления в рабочей камере и потери части рабочего хода, следовательно увеличивается полезная работа двигателя.
Воздух, проходящий через воздухозаборную камеру дополнительно охлаждает рабочее тело и от него же нагревается перед поступлением в камеру нагрева, что дает экономию топлива.
Направление осей каналов 31, 32 по касательной к окружности ротора позволяет использовать инерцию движения расширяющегося рабочего тела, которое воздействует непосредственно на разделительную лопатку сразу после выхода из каналов и не гасится, ударяясь в ротор.
Одна рабочая камера вместо двух в два раза уменьшает количество поступательных движений разделительных лопаток. Следовательно, в два раза уменьшается износ лопаток и пазов ротора.
а) увеличения пути охлаждения рабочего тела,
б) уничтожения пульсации давления рабочего тела в рабочих камерах,
в) создания в двигателе воздухозаборной камеры,
г) использования инерции расширяющегося рабочего тела.
Предлагаемое изобретение поясняется рисунками где:
фиг.1 изображен роторный двигатель, внешний вид с торца справа
фиг.2 то же, разрез А-А на фиг.3
фиг.3 то же, разрез В-В на фиг.2
фиг.4 то же, разрез С-С на фиг.2
фиг.5 то же, разрез Д-Д на фиг.2
Тепловой роторный двигатель содержит: неподвижный корпус 1 (фиг.2) с профилированной рабочей камерой 2 в которой находится рабочее тело (газ - например гелий), цилиндрический ротор 3, оканчивающийся выходными концами вала 4 и 5, (фиг.5) и в радиальных пазах 6, 7 и 8 которого размещены разделительные лопатки 9, 10 и 11. Ротор выполнен полым и охлаждается жидкостью (на рисунках не показано). Пружины 12, 13 и 14 поджимают к корпусу 1 разделительные лопатки 9, 10 и 11, на внешних концах которых имеются желобы. В желобах расположены цилиндры 15, 16 и 17, которые предназначены для уменьшения трения между лопатками 9, 10 и 11 и внутренней поверхностью корпуса 1. трущиеся поверхности пазов 6, 7, 8 и поверхности желобов в разделительных лопатках 9, 10 и 11 покрыты слоем твердой смазки, например: графитодисульфидмолибденовая композиция, которая не требует смазки, т.к. этот слой сам является смазкой и выдерживает температуры 800-1000 градусов Цельсия, а некоторые композиции и выше.
В дальнейшем смазка (консистентная или жидкостная) требуется только для опорных подшипников 35, 36
В корпусе 1 расположены: камера нагрева разделенная на две (и более) части 18, и 19 перегородкой 20 (фиг.2, 4) и воздухозаборная камера, также разделенная на две (и более) части 21 и 22 перегородкой 23 и устроенная аналогично камере нагрева. Воздухозаборная камера 21, 22 и камера нагрева 18, 19 разделены экраном 24. В корпусе 1 имеется охлаждающаяся полость 25 в которой расположен теплообменник 26, который своей нижней частью монтируется в каналах 27, а верхней частью проходит перегородки 28, 23 и оканчивается отводами 29, 30, которые входят в камеру нагрева 18, 19 через экран 24. В камере нагрева отводы 29, 30 расширяются к низу и монтируются в каналах 31, 32 корпуса 1, их расширительные (они же нагревательные) части «а» (фиг.3) в поперечном сечении имеют форму линзы «с» и внутри имеют сепарацию «в», которые некоторой своей частью «х» (рис 3) расположены в каналах 31, 32 корпуса 1. Осевые линии каналов 31, 32 проходят по касательной к окружности ротора, что дает возможность использования инерции расширяющихся газов (рабочего тела). В дальнейшем расширительные части отводов будем называть диффузорами.
Корпус 1 и ротор 3 с торцов закрыты крышкам 33, 34 (фиг.3, 4, 5) в которых расположены подшипники 35 и 36 (фиг.5), закрытые крышками 37, 38. Уплотнения между концами вала 4, 5 и крышками 33, 34 достигается за счет сильфонных самопритирающихся уплотнений 39, 40 (фиг.5). Торцовые уплотнения ротора 3 достигаются дисками 41 и 42 (фиг.3, 5), которые устанавливаются на его торцах и вращаются вместе с ним. Торцовые уплотнения между корпусом 1 и дисками 41, 42 достигаются лабиринтами 43 и 44 (фиг.3, 5). Диски 41 и 42 изготавливаются таких размеров чтобы не перекрывались подлопаточные пространства в пазах 6, 7, 8 ротора 3 (фиг.2) и которые сообщались бы с подкрышечными пространствами 45, 46 (фиг.5), в результате чего отпадает необходимость делать в лопатках 9, 10, 11 декомпрессионные каналы. На крышке 34 в камере нагрева 18 монтируется форсунка 47 (фиг.3, 4).
Двигатель работает следующим образом:
На крышке 34 смонтирована форсунка 47 с насосом и воздуходувкой смонтированной на воздухозаборной камере 22 (на рисунках не указаны). Насос под давлением подает топливо в форсунку, которая ее распыляет в камере нагрева 18. Воздуходувка забирает воздух из атмосферы через воздухозаборную камеру 21, 22 подает его в камеру нагрева 18 и перемешивает с топливом. Смесь поджигается от искры.
Двигатель работает по замкнутому циклу и в нем постоянно находится газ (рабочее тело) под давлением. Таким образом в рабочей камере 2, подлопаточных пространствах, теплообменнике 26 и в подкрышечных пространствах 45, 46 будет находится рабочее тело под давлением, от которого будет зависеть его плотность, а следовательно и теплоемкость.
Во время работы форсунки 47 раскаленные газы омывают диффузоры «а» (фиг.3), с находящимся в них сепарациями «в». Все это нагревается до высокой температуры.
Предварительно двигатель вращается от постороннего источника энергии (стартера). Рабочее тело вытесняется одной из лопаток 9, 10, 11 из камеры 2 в теплообменник 26 в котором оно охлаждается, затем через отводы 29, 30 каналы 31, 32 вновь поступает в рабочую камеру 2. Проходя через раскаленные диффузоры «а» и находящиеся в них сепарации «в» рабочее тело резко нагревается, увеличивается в своей объеме и повышает в камере 2 давление. Давление рабочего тела в камере 2 воздействует на разделительную лопатку 9 и заставляет вращаться ротор по часовой стрелке. После этого стартер отключается.
Рабочее тело вытесняясь лопатками 9, 10 из камеры 2 в теплообменник 26 где охлаждается уменьшаясь в своем объеме, а значит уменьшается и его давление. Следовательно в рабочей камере 2 между лопаткой 10 и каналом 27, а также в теплообменнике 26 до диффузоров «а» (фиг.3) давление рабочего тела будет всегда ниже чем в диффузорах «а», в каналах 31, 32 и в камере 2 до разделительной лопатки 9.
Поток воздуха проходящий через воздухозаборную камеру 21, 22 омывает трубки теплообменника 26 и отводы 29, 30 находящиеся в этой камере и таким образом дополнительно охлаждает рабочее тело, одновременно нагреваясь перед поступлением в камеру нагрева 18, 19.
Источник информации использованной при составлении заявки.
1. Патент РФ 
2023888 МКИ F01С 1/344 от. 30.11.94 г.
2. Патент - 2105179 МКИ F01С 1/344
1. Тепловой роторный двигатель, содержащий корпус с рабочей камерой и охлаждающей полостью, в которой расположен теплообменник, а также камерой нагрева и ротор с разделительными лопатками, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен воздухозаборной камерой и экраном, отделяющим его от камеры нагрева, при этом рабочая камера соединена с теплообменником его отводами и каналами, выполненными в корпусе.
2. Тепловой роторный двигатель по п.1, отличающийся тем, что оси каналов, входящих в рабочую камеру, расположены по касательной к окружности ротора.
3. Тепловой роторный двигатель по п.1, отличающийся тем, что разделительные лопатки смонтированы под углом, дающим возможность перекрытия лопатками каналов входа рабочего тела в теплообменник и выхода из него.
