Изобретение относится к тепловым машинам роторного типа. Термодинамический преобразователь энергии содержит корпус и ротор, выполненный в виде колеса со спицами, имеющими каналы - направляющие для лопаток, и жестко посаженный на вал. Вал ротора состоит из двух частей, жестко закрепленных на роторе и не проходящих через его тело. Одна из частей вала ротора выполнена полой и на ее фланце жестко закреплен суппорт, на котором расположены детали выдвижного устройства, включающего в себя четырехшарнирный механизм для выдвижения и задвигания лопаток. Выдвижное устройство содержит узел фиксации и управляемую втулочную муфту, имеющую на внутренней поверхности два кольцеобразных участка с прямыми и косыми шлицами, которыми она входит в зацепление с шестеренчато-кулачковой втулкой и втулкой коромысла четырехшарнирного механизма. На внешней поверхности управляемой втулочной муфты жестко закреплены толкатели втулочной муфты, входящие в зацепление с кулачком, расположенным на внутренней цилиндрической части суппорта. На нижней цилиндрической части суппорта свободно посажена ступица-кулачок, во внутренние пазы которой входит толкатель узла фиксации. Внешняя сторона ступицы-кулачка выполнена с прямыми шлицами, которыми она входит в зацепление с зубчатым колесом кривошипа, обкатывающимся по внутренней стороне выполненного с зубчатым венцом кольца корпуса. Профиль каждой канавки в продольном сечении представляет собой разорванную двухпериодную синусоиду с участками постоянного радиуса. Изобретение направлено на повышение надежности и КПД. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 14 ил. 
Заявляемая группа изобретений относится к тепловым машинам роторного типа и предназначена для использования в качестве стационарных и передвижных силовых установок различных машин, в том числе в качестве двигателей для транспортных средств.
Широко известен изобретенный в 1816 году двигатель внешнего сгорания Стирлинга, являющийся одним из самых конструктивно и технологически проработанных (не считая паровых турбин) двигателем внешнего сгорания. Известен также роторный двигатель Ванкеля, работающий по циклу Стирлинга. Однако основные модификации двигателя Стирлинга (альфа, бета, гамма) конструктивно сложны и громоздки, схема преобразования предполагает значительные потери механической энергии, малая удельная мощность и проблемы с герметизацией рабочего тела сдерживают широкое применение двигателя данного типа.
Наиболее близким является тепловой роторный двигатель (двигатель внешнего сгорания) по 4 независимому пункту формулы патента РФ на изобретение № 2387850 от 31.01.2008 г. Двигатель состоит из неподвижного корпуса с выполненными в нем канавками, жестко посаженного на вал ротора, суппорта и выдвижного устройства. Канавки с ободом ротора образуют полости, которые имеют впускные и выпускные окна. Ротор выполнен в виде колеса со спицами, имеющими каналы - направляющие для лопаток. Суппорт жестко закреплен на фланце вала ротора, на нем расположены детали и узлы выдвижного устройства, представляющего собой четырехшарнирный механизм выдвижения и задвигания лопаток. Однако данный двигатель имеет недостаточно высокий механический КПД.
Заявляемый роторный термодинамический преобразователь энергии, как и известные, содержит неподвижный корпус, ротор, выполненный в виде колеса со спицами, имеющими каналы - направляющие для лопаток, и жестко посаженный на вал. В корпусе имеются канавки, образующие с ободом ротора рабочие полости, каждая из которых имеет впускное и выпускное окна. Вал ротора состоит из двух частей, жестко закрепленных на роторе и не проходящих через его тело. Одна из частей вала ротора выполнена полой и на ее фланце жестко закреплен суппорт, на котором расположены детали выдвижного устройства, включающего в себя четырехшарнирный механизм для выдвижения и задвигания лопаток. Свободно вращающийся вал выдвижного устройства установлен внутри ротора на его геометрической оси и имеет рычаги с толкателями, связанными с лопатками.
Заявляемый преобразователь может быть реализован как силовое устройство паровой машины и как двигатель, использующий газообразное рабочее тело на всех стадиях цикла. Во втором случае применен принцип пространственного разделения полостей, когда одни полости находятся и участвуют в теплообмене в зоне нагрева, а другие полости - в зоне охлаждения, что характерно для двигателей Стирлинга альфа-модификации.
Задача, решаемая данным изобретением, заключается в создании более совершенной конструкции мощного, экономного, компактного и экологически чистого двигателя внешнего сгорания.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности использовании энергии газов и, соответственно, КПД, повышение надежности и уменьшение габаритов двигателя. Техническим результатом изобретения является также увеличение удельной мощности двигателя.
Данный технический результат достигается тем, что выдвижное устройство содержит узел фиксации и управляемую втулочную муфту, имеющую на внутренней поверхности два кольцеобразных участка с прямыми и косыми шлицами, которыми она входит в зацепление с шестеренчато-кулачковой втулкой и втулкой коромысла четырехшарнирного механизма. На внешней поверхности управляемой втулочной муфты жестко закреплены толкатели втулочной муфты, входящие в зацепление с кулачком, расположенным на внутренней цилиндрической части суппорта. На нижней цилиндрической части суппорта свободно посажена ступица-кулачок, во внутренние пазы которой входит толкатель узла фиксации, внешняя сторона ступицы-кулачка выполнена с прямыми шлицами, которыми она входит в зацепление с зубчатым колесом кривошипа, обкатывающимся по внутренней стороне выполненного с зубчатым венцом кольца корпуса. Профиль каждой канавки в продольном сечении представляет собой разорванную двухпериодную синусоиду с участками постоянного радиуса.
Данный технический результат для двигателя, использующего на всех фазах цикла газообразное тело, достигается тем, что двигатель состоит из k секций, где k=3, 4, 5 
, каждая из которых представляет собой преобразователь по п.1 формулы, размещенных последовательно на одном валу и соединенных соответственно элементами впускного - выпускного тракта, включающих трубопроводы и теплообменники.
Регулирование мощности двигателя осуществляется посредством золотников и перепускных каналов, установленных между трактами выхода и входа полостей холодной секции. Для осуществления процесса регенерации двигатель может быть оснащен вращающимися кассетами барабанного типа с размещенными в их теле регенераторами, барабаны каждой кассеты вставлены в разрыв двух трубопроводов впускного - выпускного тракта, осуществляющих движение рабочего тела согласно циклу.
Выполнение преобразователя с выдвижным устройством, содержащим управляемую втулочную муфту, шестеренчато-кулачковую втулку, втулку коромысла четырехшарнирного механизма и узел фиксации, позволяет создать участки постоянного радиуса в центре полостей, при соответственном (максимальном) выдвижении лопаток. Тем самым увеличивается постоянная составляющая силы давления газов на лопатку, что ведет к увеличению удельной мощности.
Выполнение двигателя (использующего газообразное рабочее тело во всех фазах цикла) как комбинацию нескольких преобразователей в виде секций, размещенных на одном валу, но с разными, соответственно подобранными объемами полостей, позволяет задать термодинамический цикл его работы (с учетом параметров рабочего тела, конструкционных материалов, используемого топлива), осуществить однонаправленное движение рабочего тела, а также обеспечить надежную герметизацию полостей секций (вследствие отсутствия возвратно-поступательного движения), что обеспечивает его более высокую энергетическую и экономическую эффективность.
Оснащение двигателя вращающимися кассетами с регенераторами позволяет осуществить теплообмен с меньшими потерями, что улучшает энергетическую эффективность и увеличивает КПД двигателя.
Изобретение поясняется с помощью чертежей, где на фиг.1 представлена схема преобразователя, на фиг.2 - общий вид преобразователя, на фиг.3 - суппорт в разрезе с управляемой втулочной муфтой, на фиг.4 - элементы узла фиксации (УФ) со ступицей-кулачком, на фиг.5 - функциональная схема работы двигателя по п.2 формулы, составленного из модулей-преобразователей (цикл Стирлинга), фиг.6 - схема работы двигателя (цикл Стирлинга), на фиг. 7 - диаграмма (цикл Стирлинга), на фиг.8 - кассета-барабан с регенераторами (регенератор), на фиг.9 - ролик лопатки, на фиг.10 - схема работы двигателя (цикл Карно), на фиг.11 - диаграмма (цикл Карно), на фиг.12 - схема работы двигателя (смешанный цикл), на фиг.13 - диаграмма (смешанный цикл), на фиг.14 - схема устройства управления мощностью двигателя.
Преобразователь энергии рабочего тела во вращательное движение (фиг.1, 2, 3, 4) состоит из неподвижного корпуса 1 с выполненными в нем канавками 2, жестко посаженного на вал 3 ротора 4, суппорта 5 и выдвижного устройства 6. Ротор 4 выполнен в виде колеса со спицами 7, имеющими каналы - направляющие для лопаток 8, причем канавки 2 с ободом ротора 4 образуют полости 9, которые имеют впускные 10 и выпускные 11 окна. Неподвижный корпус 1 также состоит из трех частей, нижняя 12 и верхняя 13 части являются одновременно нижней и верхней опорой цапф вала 3 и прикрывают с торцов основную часть корпуса 1, представляющую собой полый кольцеобразный цилиндр. На его внутренней поверхности выполнены канавки 2, профиль которых в продольном сечении представляет собой разорванную двухпериодную синусоиду с участками постоянного радиуса, сведенными в окружность. Суппорт 5 жестко закреплен на фланце вала 3 ротора, на нем расположены детали и узлы выдвижного устройства 6, представляющего собой четырехшарнирный механизм выдвижения и задвигания лопаток 8.
Выдвижное устройство (ВУ) 6 (фиг.3) содержит узел фиксации (УФ) 14 и управляемую втулочную муфту 15. Управляемая втулочная муфта 15 имеет на внутренней поверхности два кольцеобразных участка: один - с прямыми шлицами; второй - с косыми, которыми она входит в зацепление с шестеренчато-кулачковой втулкой 16 и втулкой 17 коромысла 18 четырехшарнирного механизма. Управляемая втулочная муфта 15 имеет на внешней поверхности толкатели 19, которые входят в зацепление с кулачком 20 геометрического замыкания, расположенного на внутренней цилиндрической части суппорта 5 (пазы на внутренней цилиндрической части суппорта). В данном варианте исполнения втулочная муфта 15 имеет по три толкателя 19, разнесенных равномерно по окружности в двух плоскостях (с учетом того, что угол поворота коромысла 18 до 90 град. (или до четверти оборота)). На цилиндрической части (шейке) суппорта 5 (фиг.4) свободно сидит ступица-кулачок 21 узла фиксации, входящая в зацепление с зубчатым колесом 22 кривошипа 23, которое обкатывается по внутренней стороне кольца с зубчатым венцом 24 корпуса 1. В пазы 25 ступицы-кулачка 21 входят толкатели 26 узла фиксации 14.
Заявляемый преобразователь (фиг.1, фиг.3, фиг.4) и преобразователь, изложенный в п.4 патента РФ на изобретение № 2387850, являются основами (модулями) для построения двигателей внешнего сгорания, использующих различные термодинамические циклы в своей работе. В двигателях, где предусмотрено изменение агрегатного состояния рабочего тела (паровая машина), вышеуказанные преобразователи являются исполнительной силовой частью (расширительной машиной) (фиг.1), которая, получив нагретое и уже газообразное рабочее тело из нагревателя (парогенератора), через впускные окна 10, имеющие золотники 27, направляет его в рабочую полость 9 и, преобразовав энергию, отсылает в конденсатор (холодильник, на фиг.1 не показан).
С учетом того, что поверхность полостей для теплообмена преобразователя может быть многократно больше, чем в системе цилиндр-поршень, при равной площади поверхностей, преобразующих давление рабочего тела, в заявляемых вариантах преобразователя и двигателей на их основе есть возможность отказаться от устройства предварительного изменения рабочего тела в газообразное агрегатное состояние (парогенератора). Для этого нужно осуществить нагрев стенок корпуса 1 и ротора 4 (нагрев со стороны ротора технически не сложен), а в начале полостей 9 установить форсунки (на схемах не показаны). В результате вращения ротора 4 лопатки 8 создают разрежение в полости 9 и через впускные окна 10, имеющие открытые клапаны (золотники 27), в нее поступают горячие газы - продукты нагрева стенок рабочих полостей. Форсунки в момент после прохождения их лопатками 8 подают (впрыскивают) жидкое рабочее тело в полости, при этом золотники 27 перекрывают впускные окна 10. В результате контакта с горячими стенками полостей и продуктами сгорания рабочее тело переходит в газообразное состояние и совершает тем самым работу по преобразованию энергии.
Двигатели, использующие на всех этапах цикла только газообразное рабочее тело (фиг.1, 5), составлены из последовательно расположенных на одном валу преобразователей (секций) Si (где i=1, 2 k), каждый из которых имеет N полостей. Количество секций - k, соотношение объемов их полостей 9, а также расположение зон нагрева и охлаждения определяют термодинамический цикл работы двигателя (Карно, Стирлинга и др.). Процессы, происходящие в одной из определенной секции Si, соответствуют только определенному такту цикла. Все такты цикла происходят одновременно в своих секциях S и за 1/N оборота двигателя. Ротор 4 двигателя может иметь общую ободную поверхность для нескольких секций Si. Участки ротора 4 в секциях с различными термическими условиями разделяются теплоизоляционным кольцом 28. Зоны нагрева и охлаждения корпуса 1 должны быть теплоизолированы друг от друга. Такие важные для двигателя значения величин, как объем рабочих полостей 9 и площадь поверхности лопатки 8, воспринимающие давление, а также их длина, определяют ширину конкретной секции. При этом не меняется общий диаметр корпуса 1, ротора 4 и всех параметров, связанных с ним (толщина полостей 9, вылет лопаток 8 и т.д.), поэтому они для всех секций одинаковы. Выпускные окна 11 полостей одной секции Si последовательно соединены трубопроводами 29 с впускными окнами 10 другой Si+1 последующей по циклу секции. Так как в сущности безразлично, из какой полости 9 одной секции Si рабочее тело перейдет в какую-то другую конкретную полость 9 последующей (по циклу) секции Si+1, можно все выходы одной секции и все входы последующей свести в единый коллектор 30 кольцевого типа, охватывающий двигатель. Тем самым можно уменьшить газодинамическое сопротивление. Между определенными секциями S коллектор 30 будет исполнять роль теплообменника, и значительная площадь его поверхности будет этому способствовать.
На фиг.5 и фиг.6, 7 представлены конструктивное исполнение и схема двигателя внешнего сгорания, реализующего цикл Стирлинга. Он состоит из двух отделов, один из которых подвергается нагреванию (горячий) - Dh, а другой охлаждению (холодный) - Dc. Каждый отдел включает в себя по две секции S с разным объемом полостей (большим и меньшим). Причем объемы V2 и V3 больших полостей секций горячего Dh и холодного Dc отделов и секций с меньшим объемом V1, V4 разных отделов равны соответственно между собой. Основным отличием двигателей Стирлинга есть наличие регенераторов. В заявляемом двигателе для осуществления процесса регенерации служит устройство (фиг.8), представляющее собой N кассет барабанного типа 31, посаженных свободно на ось 32, каждая из кассет вставлена в разрыв двух трубопроводов 29: одного - идущего от холодного отдела Dc к горячему Dh, другого - от горячего к холодному (движение рабочего тела согласно циклу). Кассеты 31 имеют вставки с веществом, осуществляющим процесс регенерации (регенератор 33), разделенные радиальными теплоизоляционными пластинами 34. Необходимая частота вращения барабана 31 достигается путем подбора зубчатых колес привода 35, входящих в зацепление с зубчатым венцом 36 на разделительном теплоизоляционном кольце 28. Трубопроводы 29 различных направлений, в разрез которых вставлена кассета 31, диаметрально (не строго) разнесены относительно ее оси. Вращаясь, кассета 31 переносит вставки регенераторов 33, находившихся в тракте, проводящем рабочее тело от холодного отдела Dc корпуса к горячему Dh, до тракта, проводящего рабочее тело от горячего Dh к холодному Dc, и наоборот одновременно. Поэтому вещество регенератора нагревается, охлаждая рабочее тело тракта направления горячий - холодный отдел, и охлаждается, нагревая рабочее тело тракта направления холодный - горячий отдел корпуса, так как в предыдущем такте соответствующие участки регенератора находились в разрыве трактов противоположного направления. Возможен подвод трубопроводов 29 таким образом, чтобы была возможность осуществить однонаправленное движение рабочего тела через регенератор в обоих направлениях. Барабан кассеты 31 также может выполнять функцию запирающего устройства (золотника). Теплоизоляционные пластины 34 позволяют ограничить участие в теплообмене того вещества регенератора, которое находится вне зоны отверстия трубопровода 29.
Положительная работа в данном двигателе совершается в процессе расширения рабочего тела в горячем отделе, под воздействием результирующей силы, образованной в зависимости от разности приведенных площадей (площадей, воспринимающих давление рабочего тела), выступающих частей валиков, соответствующих смежных секций. Отрицательная работа сжатия в холодном отделе, механические и газодинамические потери существенно меньше положительной.
Такое исполнение позволяет иметь избыточное давление внутри ротора, сопоставимое с рабочим давлением в полостях, тем самым обеспечивая надежное уплотнение рабочих полостей.
Двигатели, использующие на всех этапах цикла только газообразное рабочее тело, могут быть составлены по вышеизложенной системе также из последовательно расположенных на одном валу описанных в п.4 формулы патента РФ на изобретение № 2387850, отличающихся от заявляемого по п.1 формулы данного изобретения конструкционным исполнением выдвижного устройства и профилем канавок. При выполнении двигателя с преобразователем по п.4 патента № 2387850 в качестве ВУ используется четырехшарнирный (кривошипно-коромыслово)-рычажно-ползунный механизм.
При выполнении двигателя с преобразователем по п.1 формулы данной заявки с профилем канавок, представляющих собою разорванную двухпериодную синусоиду, сведенную в окружность, и с участком постоянного радиуса в центре полостей, в основе ВУ используется также четырехшарнирный механизм, шестеренчато-кулачковая втулка и узел фиксации (УФ), аналогичный узлу фиксации, описанному в 1 независимом пункте формулы патента РФ № 2387850 (но половина узла, только для вала). Конструкция ВУ в данном случае включает (фиг.4) управляемую втулочную муфту 15. Втулка коромысла 17, входящая в зацепление со шлицами втулочной муфты 15, передает ей два вида движения (из-за косых шлицов) - осевое вертикальное перемещение и вращательное движение. Пока толкатели втулочной муфты 19 находятся в горизонтальной части пазов 20, муфта 15, как и втулка коромысла 17, совершает только вращательное движение. При подходе втулки коромысла 17 к определенной мертвой точке (МТ) (меньшие скорости и перемещения) толкатели втулочной муфты 19 входят в зону перехода осевого расположения пазов 20 на суппорте 5, и тем самым изменяется закон движения как самой втулочной муфты 15, так и шестеренчато-кулачковой втулки 16 (а отсюда и вала 37, см. фиг.3, ВУ выдвижения лопаток 8) относительно движения втулки коромысла 17. Появляется осевая составляющая движения втулочной муфты 15 и в дальнейшем (согласно профилю пазов 20 (кулачков)) она становится преобладающей, вплоть до момента, когда будет только ее осевое перемещение по прямым шлицам шестеренчато-кулачковой втулки 16, несмотря на еще продолжающее вращение втулки коромысла 17. Шестеренчато-кулачковая втулка 16 строго отслеживает и повторяет вращательное движение втулочной муфты 15, поэтому также становится неподвижной относительно суппорта 5. А с учетом реверсного движения от определенной МТ, таким образом, образуется пауза (выстой), необходимая для срабатывания узла фиксации.
Возможна конструкция двигателя и без использования втулочной муфты 15, т.е. без паузы. Тогда шестеренчато-кулачковая втулка будет выходным звеном четырехшарнирного механизма, а муфта узла фиксации (УФ) будет иметь зубья трапециевидной формы.
Как вариант, узел фиксации (УФ) можно упростить, исключив коромысло УФ 14. Тогда (фиг.4) зубчатое колесо 22 кривошипа 23, обкатываясь по внутренней стороне кольца 24 корпуса с зубчатым венцом, входит в зацепление с зубчатым венцом на внешней поверхности ступицы-кулачка 21, свободно сидящей на цилиндрической части (шейке) суппорта 5, вращая ее. Толкатели 26 УФ входят в зацепление в паз 25 соответствующего профиля (пространственный кулачок геометрического замыкания), расположенного на внутренней поверхности ступицы-кулачка 21 и задающего порядок работы УФ.
Для уменьшения трения в двигателе (фиг.9) в вершину лопатки 8 может быть устанавлен ролик 38 лопатки.
Возможно использование данной конструкции и в виде насоса, и в виде движителя. Посредством привода любого типа осуществляется вращение ротора, рабочее тело вследствие созданного разрежения рабочим органом (лопаткой), через впускное окно заполняет полость. А рабочее тело перед рабочим органом выдавливается из полости через выпускное окно, которое может быть оснащено клапаном. Такой насос (или движитель) имеет высокие удельные характеристики.
Описание некоторых возможных циклов работы двигателя
1. Цикл Стирлинга.
При использовании двигателя с четырьмя секциями необходимо иметь следующие отношения полостей (см. фиг.6, 7):
(V1=V4)>(V2=V3 ),
где V1, V2 объемы полостей секций горячего отдела Dh;
V3, V4 объемы полостей секций холодного отдела Dc.
Пусть в секции S4 холодного отдела Dc двигателя с малым объемом полости V4 (далее - объем Vk) находится охлажденное рабочее тело, которое при вращении ротора 4 лопатками 8 перегоняется через нагретый регенератор 43 (при этом нагреваясь, охлаждая последний) в горячий отдел Dh, в объем V1, равный исходному. В результате происходит повышение температуры и давления (изохора d-a). Далее, при вращении ротора 4 происходит перемещение рабочего тела в больший объем V2, где оно получает энергию от нагревателя - осуществляется изотермическое расширение (а-b), совершается работа против внешних сил (за счет разности приведенных площадей лопаток 8 объемов V1 и V2). Далее, из объема V2 рабочее тело, охлажденное в предыдущих тактах, проходит регенератор 33, нагревая его (при этом теряя энергию), и переходит в равный объем V3 секций холодного отдела Dc двигателя - температура и давление падает (изохора b-с). При дальнейшем перемещении в объем V4 рабочее тело подвергается охлаждению, происходит изотермическое сжатие (c-d), осуществляется отрицательная работа, и далее цикл повторяется.
Процессы, происходящие в других полостях одной и той же секции, аналогичны и синхронны.
2. Цикл Карно.
Для построения двигателя, работающего по циклу Карно (фиг.10, 11), необходимо иметь четыре секции с соответствующим образом подобранными соотношениями объемов их полостей, когда
V1<V4<V2<V3.
Нагреву подвергают секцию с объемом полостей V2, а охлаждению - секцию с объемом полостей V4 (далее объем Vk). Тогда при вращении ротора 4 рабочее тело из объема VI переходит в объем V2 с подводом тепла Q, где происходит изотермическое расширение (а-b), дальнейшее расширение без подвода тепла происходит в объеме V3 (адиабата b-с). При переходе рабочего тела в меньший объем V4 происходит его сжатие с отводом тепла Q (изотерма c-d), при дальнейшем сжатии в объеме V1 без отвода тепла происходит повышение температуры и давления (адиабата d-a), далее цикл повторяется.
3. Смешанный цикл.
Двигатель, работающий по данному циклу, должен иметь четыре секции с объемами полостей, имеющими следующее подобранное соотношение (фиг.12, 13):
(V4=V1)<V2<V3.
Подвод тепла осуществляется к секциям с объемами полостей V1, V2, охлаждение - к секции с объемом полостей V4. Тогда изотермическое сжатие происходит в объеме V4 (c-d), а при дальнейшем прохождении рабочего тела в объем V1, равный предыдущему, с подводом тепла Q осуществляется изохорический нагрев (d-а). В дальнейшем работа осуществляется по циклу Карно.
Возможны и другие варианты изготовления двигателя внешнего сгорания, работающего по иным циклам в зависимости от количества секций, от соотношения величин объемов их полостей, а также расположения зон нагрева и охлаждения, с использованием регенератора или без такового.
В последних из двух рассмотренных циклов регенераторы 33 не используются.
Регулирование мощности двигателя (фиг.14) возможно с помощью перепускных каналов 39, установленных между трактами выхода и входа полостей холодной секции и золотников 40. В среднем положении золотники 40 частично перекрывают тракт выхода полостей холодной секции, это положение соответствует установившемуся нормальному режиму работы двигателя. Тогда при более сильном выдвижении в тракт выхода золотника 40 все больше рабочего тела перегоняется из конца данных полостей в их начало и меньше попадает в полости, где осуществляется полезная работа - мощность падает. А при прикрывании золотника 40, вплоть до закрытия перепускного канала, мощность двигателя возрастает. Таким образом можно добиться изменения мощности в широком диапазоне с достаточно высокой скоростью реакции. Данное регулирование мощности может выполняться как самостоятельно, так и быть дополнением к уже традиционно существующей системе регулирования двигателей внешнего сгорания.
В данной заявке не рассматриваются системы обеспечения работы двигателя.
1. Термодинамический преобразователь энергии, содержащий неподвижный корпус, ротор, выполненный в виде колеса со спицами, имеющими каналы - направляющие для лопаток, и жестко посаженный на вал, в корпусе имеются канавки, образующие с ободом ротора рабочие полости с впускными и выпускными окнами, вал ротора состоит из двух частей, жестко закрепленных на роторе и не проходящих через его тело, одна из частей вала ротора выполнена полой и на ее фланце жестко закреплен суппорт, на котором расположены детали выдвижного устройства, включающего в себя четырехшарнирный механизм для выдвижения и задвигания лопаток, и содержащий шестеренчато-кулачковую втулку, причем свободно вращающийся вал выдвижного устройства установлен внутри ротора на его геометрической оси и имеет рычаги с толкателями, связанными с лопатками, отличающийся тем, что выдвижное устройство содержит узел фиксации и управляемую втулочную муфту, имеющую на внутренней поверхности два кольцеобразных участка с прямыми и косыми шлицами, которыми она входит в зацепление с шестеренчато-кулачковой втулкой и втулкой коромысла четырехшарнирного механизма, на внешней поверхности управляемой втулочной муфты жестко закреплены толкатели втулочной муфты, входящие в зацепление с кулачком, расположенным на внутренней цилиндрической части суппорта, на нижней цилиндрической части суппорта свободно посажена ступица-кулачок, во внутренние пазы которой входит толкатель узла фиксации, внешняя сторона ступицы-кулачка выполнена с прямыми шлицами, которыми она входит в зацепление с зубчатым колесом кривошипа, обкатывающимся по внутренней стороне выполненного с зубчатым венцом кольца корпуса, профиль каждой канавки в продольном сечении представляет собой разорванную двухпериодную синусоиду с участками постоянного радиуса.
2. Роторный двигатель внешнего сгорания, отличающийся тем, что он состоит из k секций, где k=3, 4, 5 , каждая из которых представляет собой преобразователь по п.1, размещенных последовательно на одном валу и соединенных соответственно элементами впускного-выпускного тракта, включающих трубопроводы и теплообменники, регулирование мощности двигателя осуществляется посредством золотников и перепускных каналов, установленных между трактами выхода и входа полостей холодной секции.
3. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что он оснащен вращающимися кассетами барабанного типа с размещенными в их теле регенераторами, барабаны каждой кассеты вставлены в разрыв двух трубопроводов впускного-выпускного тракта.
www.freepatent.ru
Изобретение относится к двигателестроению. Роторный двигатель внешнего сгорания состоит из ротора, лопаток, не менее двух корпусов, уплотняющих элементов и двух секций: горячей и холодной. Роторы секций жестко закреплены на одном валу. Ротор горячей секции длиннее, чем ротор холодной секции. Рабочая площадь лопатки и объем полости больше у горячей секции. Двигатель содержит входное окно холодной секции, выходное окно холодной секции, входное окно горячей секции и выходное окно горячей секции. Полости горячей и холодной секций соединены между собой посредством двух труб, одна из которых проходит через полость охлаждения, другая через полость нагревания, и обе пересекают полость регенерации. На пути от полости регенерации к холодной секции установлен клапан. Части лопатки находятся по разные стороны оси вращения. Каждая лопатка полностью выдвинута и неподвижна относительно ротора при вращении в момент, когда расстояние между противоположными стенками равно длине лопатки. Изобретение направлено на повышение КПД. 6 ил.
Изобретение относится к области машиностроения и, в частности, к двигателестроению. Известен роторный двигатель внешнего сгорания патент [РФ №2208176]. В этом двигателе все процессы происходят в одной секции, разделенной пластинами на части. В результате холодный газ в части «в» нагревается от соседних частей, через общие разделяющие пластины и корпус двигателя. Что снижает КПД двигателя. Известен патент РФ №2258824. В этом двигателе также горячая и холодная камеры расположены в одном корпусе. Их разделяет статор. Поэтому горячий газ будет охлаждаться, а холодный нагреваться через общие стенки корпуса и ротор. Что также снизит КПД двигателя.
Известно описание роторного двигателя внешнего сгорания в журнале «Наука и жизнь» №3 за 2007 г. Этот двигатель взят за прототип.
Основная идея данного решения состоит в том, что на общем валу установлены два рабочих цилиндра разной длины с эксцентриковыми роторами и подпружиненными разделительными пластинами. Полость нагнетания (условно - сжатия) малого цилиндра соединена с полостью расширения большого цилиндра через канавки в разделительных пластинах, трубопровод, теплообменник-регенератор и нагреватель, а полость расширения малого цилиндра - с полостью нагнетания большого цилиндра через регенератор и холодильник.
Двигатель работает следующим образом. В каждый момент времени из малого цилиндра в ветвь высокого давления поступает некоторый объем газа. Чтобы заполнить полость нагнетания большого цилиндра и при этом сохранить давление, газ нагревают в регенераторе и нагревателе; его объем увеличивается, и давление остается постоянным. То же, но "с обратным знаком" происходит в ветви низкого давления. Из-за разницы в площадях поверхности роторов возникает результирующая сила F=Δp(S6-Sм), где Δр - разность давлений в ветвях высокого и низкого давлений; S6 - рабочая площадь большого ротора; Sм - рабочая площадь малого ротора. Эта сила вращает вал с роторами, и рабочее тело непрерывно циркулирует, последовательно проходя через всю систему. Полезный рабочий объем двигателя равен разности объемов двух цилиндров.
В этом двигателе отсутствует клапан в ветви высокого давления, что не позволяет повысить давление холодного газа перед его подачей в регенератор и нагреватель. Также отсутствие клапана позволяет части горячего газа поступать обратно в секцию короткого ротора. Все это снижает КПД двигателя.
Целью заявленного решения является устранение этих недостатков путем применения иной конструкции лопаток и двигателя.
Техническим результатом является улучшение организации процесса смазки двигателя, исключение попадания сгоревших газов в рабочую смесь, повышение КПД.
Указанная цель и результат достигаются за счет того, что роторный двигатель внешнего сгорания, состоящий из ротора, лопаток, не менее двух корпусов, впускного отверстия, впускного окна камеры сгорания, впускного клапана, камеры сгорания, свечи зажигания, выпускного клапана, выпускного окна, выпускного отверстия, уплотняющих элементов, отличающийся тем, что состоит из двух секций: горячей и холодной, роторы которых жестко закреплены на одном валу, причем ротор горячей секции длиннее, чем ротор холодной секции, а рабочая площадь лопатки и объем полости больше у горячей секции; полости горячей и холодной секций соединены между собой посредством двух труб, одна из которых проходит через полость охлаждения, другая через полость нагревания, и обе пересекают полость регенерации, на пути от которой к холодной секции установлен клапан.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 показана конструкция двигателя, где 1 - ротор, 2 - лопатка, 3 - корпус, 4 - перегородка между рабочей и управляющей полостями, 5 - управляющая полость, 6 - рабочая полость, 7 - уплотнение на лопатке.
На Фиг.2, 3, 4, 5 - принцип работы двигателя, где 8 - холодильник, 9 - регенератор, 10 - нагреватель, 11 - клапан, 12 - входное окно холодной секции, 13 - выходное окно холодной секции, 14 - входное окно горячей секции, 15 - выходное окно горячей секции, 16 - лопатка в горячей секции, 17 - лопатка в холодной секции.
Двигатель внешнего сгорания состоит из двух секций - горячей (Б) и холодной (А). Их роторы жестко закреплены на одном валу. Для более удобного показа принципа работы двигателя секции изображены на чертежах раздельно. Ротор горячей секции длиннее, чем ротор холодной секции. Поэтому рабочая площадь лопатки (16) и объем полости больше у горячей секции. Полости горячей (Б) и холодной (А) секций соединяются между собой, как показано на Фиг.2. Так как процессы в полостях аналогичны, на чертеже изображена только пара полостей. При движении газа он проходит через регенератор (9), нагреватель (10), холодильник (8), клапан (11).
Работает двигатель следующим образом.
Лопатка (17) находится перед входным отверстием (12). Клапан (11) закрыт. Газ из горячей секции, проходя через регенератор (9) и холодильник (8) в холодную секцию, охлаждается и уменьшается в объеме. Давление в горячей секции уменьшается. Лопатка (16) не дошла до входного окна (14) (положение Фиг.3). При дальнейшем вращении лопатка (17) сжимает газ в холодной секции. И одновременно засасывает охлажденный газ из горячей секции. При достижении некоторого давления клапан (11) открывается. В это время лопатка (16) в горячей секции проходит входное отверстие (14). Проходя через регенератор (9) и нагреватель (10), газ нагревается, увеличивает свой объем и давит на лопатку (16), совершая работу. В тоже время лопатка (16) начинает вытеснять горячий газ от предыдущего цикла. Этот газ, проходя через регенератор (9), отдает тепло газу, который в это время идет из холодной в горячую секцию. Затем дополнительно охлаждается в холодильнике (8), уменьшая свой объем, и поступает в холодную секцию (положение Фиг.4). При дальнейшем вращении лопатка (17) вытесняет весь газ из холодной секции, который расширяясь, совершает работу в горячей секции. При достижении лопаткой (17) холодной секции выходного отверстия (13) клапан (11) закрывается. Газ из холодной секции не поступает в горячую. Но газ, нагреваясь и расширяясь в горячей секции, продолжает давить на лопатку, совершая работу (положение Фиг.5). После прохождения лопаткой (16) выходного отверстия горячей секции (15) горячий газ начинает через регенератор (9) и холодильник (8) поступать в холодную секцию. Охлаждаясь, он уменьшает свой объем. Давление в горячей полости начинает снижаться. Клапан (11) закрыт. За то время, пока второй конец лопатки (17) достигнет входного отверстия холодной секции (12), давление в горячей и холодной секциях сравняется (положение Фиг.6). Когда второй конец лопатки (17) достигает входного отверстия (12) холодной секции, процесс повторяется. Процессы в других парах полостей аналогичны. Поэтому за один оборот вала произойдет шесть рабочих циклов. Причем, в любой момент времени, как минимум в одной полости всегда будет происходить рабочий цикл.
Количество полостей в секции может быть другим, но обязательно нечетным. Принцип работы лопатки состоит в следующем. В определенный момент расстояние между противоположными стенками равно длине лопатки. Лопатка полностью выдвинута и неподвижна относительно ротора при вращении. При вращении ротора лопатка взаимодействуете корпусом в управляющей полости (5). При этом лопатка двигается относительно ротора (1) в радиальном направлении.
При дальнейшем вращении лопатка под воздействием стенки корпуса начинает вдвигаться в ротор, так как на противоположной стенке начинается полость. Когда лопатка полностью вдвигается в ротор, она неподвижна относительно него. Так циклически двигаясь относительно ротора, лопатка создает области переменного объема в полостях. Так как части лопатки находятся по разные стороны оси вращения, то на лопатку будет действовать центробежная сила только части лопатки, выступающей из ротора.
Лопаток также может быть больше, чем одна. Горячие газы будут расширяться в большем объеме, поэтому температура и давление выхлопных газов перед выходом в атмосферу будет меньше, что увеличит КПД.
Сгоревшие газы не будут попадать в рабочую смесь, так как полости сжатия и сгорания разделены.
Роторный двигатель внешнего сгорания, состоящий из ротора, лопаток, не менее двух корпусов, уплотняющих элементов, состоящий из двух секций: горячей и холодной, роторы которых жестко закреплены на одном валу, причем ротор горячей секции длиннее, чем ротор холодной секции, а рабочая площадь лопатки и объем полости больше у горячей секции; содержит входное окно холодной секции, выходное окно холодной секции, входное окно горячей секции, выходное окно горячей секции; полости горячей и холодной секций соединены между собой посредством двух труб, одна из которых проходит через полость охлаждения, другая через полость нагревания, и обе пересекают полость регенерации, на пути от которой к холодной секции установлен клапан, отличающийся тем, что части лопатки находятся по разные стороны оси вращения, и каждая лопатка полностью выдвинута и неподвижна относительно ротора при вращении в момент, когда расстояние между противоположными стенками равно длине лопатки.
bankpatentov.ru
Изобретение относится к классу устройств, преобразующих тепловую энергию, выделяющуюся при различных способох сжигания топлива, в механическую. Двигатель имет в своем составе ротор с закрепленной на нем рабочей камерой, проточная часть которой состоит из области подачи рабочей жидкости, области нагрева рабочей жидкости, снабженной отсеком интенсивного нагрева рабочей жидкости, имеет эжекторное устройство, формирующее реактивные струи рабочего тела, вызывающие вращение ротора, гидрозатвор, препятствующий перетеканию рабочей жидкости из области нагрева рабочей жидкости в область подачи рабочей жидкости, неподвижную лопастную систему для изменения величины и направления скорости реактивных струй, источник тепла для внешнего нагревания рабочей жидкости, находящейся в области нагрева рабочей жидкости. Изобретение позволяет создать роторный двигатель имеющий рабочую камеру с внешним нагреванием рабочей жидкости, которая позволяет получать в процессе работы непрерывно вытесняемые жидкостным поршнем реактивные струи рабочего тела, вызывающие равномерное вращение ротора двигателя. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к классу устройств, преобразующих выделяющуюся при различных способах сжигания топлива тепловую энергию в энергию механическую. Самым известным аналогом предлагаемого изобретения является Сегнерово колесо, то есть активная турбина, сопловой аппарат которой расположен на рабочем колесе и вращается вместе с рабочим колесом.
Известен также двухроторный гидрореактивный двигатель (патент RU 2379213 C1, МПК В63Н 11/02, В63Н 11/09, 20.10.2008), относящийся к двигателям внутреннего сгорания с жидкостным поршнем. Двигатель содержит внешний ротор для создания внешнего жидкостного кольца, а также внутренний ротор, создающий внутреннее жидкостное кольцо и имеющий полость всасывания и камеру сгорания. Оси вращения роторов расположены с эксцентриситетом, а направления вращения совпадают. При одновременном вращении роторов порция свежей горючей смеси попадает в полость всасывания, под воздействием внешнего жидкостного кольца сжимается жидкостным поршнем и вытесняется в камеру сгорания, где удерживается в сжатом состоянии при помощи внутреннего жидкостного кольца. Воспламенение сжатой смеси в камере сгорания приводит к выбросу реактивной струи рабочей жидкости, приводящей внутренний ротор во вращение. Таким образом, описанный выше двигатель имеет в своем составе Сегнерово колесо импульсного действия.
Предлагаемое техническое решение имеет такую рабочую камеру с внешним нагреванием рабочей жидкости, которая позволяет получать в рабочем процессе непрерывно вытесняемые жидкостным поршнем реактивные струи рабочего тела, вызывающие равномерное вращение ротора двигателя.
Рабочая камера предлагаемого двигателя (фиг.1) закреплена на роторе двигателя, то есть выполнена с возможностью вращения вместе с ротором. Проточная часть рабочей камеры состоит из области подачи 8 рабочей жидкости, области нагрева 10 рабочей жидкости, гидрозатвора 9, препятствующего перетеканию рабочей жидкости из области нагрева 10 рабочей жидкости в область подачи 8 рабочей жидкости. Подвод 6 рабочей жидкости в область подачи 8 может быть осуществлен, в частности, с помощью центрального отверстия вала 3 ротора.
В области нагрева 10 рабочей жидкости выделен отсек 22 интенсивного нагрева рабочей жидкости, снабженный эжекторным устройством 23, с помощью которого формируются реактивные струи рабочего тела, вызывающие вращение ротора.
Вал 3 ротора двигателя размещен в подшипниках 5 корпуса 1 двигателя. Осевые усилия на валу 3 ротора воспринимаются подпятником 4. Запуск двигателя, а затем и передача избытка мощности для потребителя в процессе работы двигателя осуществляются при помощи привода 2, закрепленного на валу 3 ротора.
Для запуска двигателя необходимо привести ротор двигателя во вращение от стартера при помощи привода 2. Рабочая жидкость поступает в рабочую камеру через центральное отверстие вала 3 ротора и заполняет проточную часть рабочей камеры целиком. Далее необходимо привести в действие устройство 16 внешнего нагрева рабочей жидкости, находящейся в области нагрева 10 и отсеке 22 интенсивного нагрева. Нагрев приведет к испарению части рабочей жидкости в отсеке 22, частичному отделению пара от жидкости под воздействием вращения ротора и поступлению пара с частицами жидкости, то есть рабочего тела, в эжекторное устройство 23, выполненное таким образом, чтобы истекающие из него реактивные струи рабочего тела, смешанные с нагретой рабочей жидкостью из области нагрева 10, способствовали вращению ротора двигателя. Интенсификация внешнего нагрева вызовет увеличение давления рабочего тела перед эжекторным устройством 23, следовательно, появится избыток мощности, который уже можно передавать потребителю, что и является техническим результатом преобразования тепловой энергии сгорания топлива в механическую энергию вращения ротора двигателя. Предельная величина давления рабочего тела перед эжекторным устройством 23 определяется параметрами гидрозатвора 9, который предохраняет область подачи 8 рабочей жидкости от проникновения рабочего тела из области нагрева 10 рабочей жидкости и отсека 22 интенсивного нагрева рабочей жидкости. Реактивные струи рабочего тела после выхода из проточной части вращающейся рабочей камеры попадают в неподвижную лопастную систему 18, которая изменяет величину и направление скорости каждой струи, чтобы не создавать препятствий вращению ротора. Дальнейшее движение рабочего тела происходит в неподвижном кожухе двигателя и связано с конденсацией пара, накоплением рабочей жидкости в соответствующей емкости 15, подачей рабочей жидкости по каналу 14 в теплообменник для охлаждения и последующего возвращения в рабочую камеру. Таким образом, поступающая в двигатель рабочая жидкость при перемещении в проточной части рабочей камеры выполняет функции жидкостного поршня, который, частично испаряясь при нагреве, превращается в рабочее тело.
Реактивные струи рабочего тела, истекающие из проточной части вращающейся рабочей камеры, обладают некоторым запасом кинетической энергии, который можно утилизировать при помощи рабочих органов 21 турбомашины.
На фиг.2 изображен размещенный в подшипниках 13 корпуса 1 двигателя вал 11 турбомашины, соосный валу 3 ротора двигателя. Осевые усилия на валу 11 турбомашины воспринимаются подпятником 17. Вал 11 не имеет с валом 3 жесткой механической связи и вращается в результате взаимодействия реактивных струй рабочего тела, истекающих из проточной части вращающейся рабочей камеры, с рабочими органами 21 турбомашины, закрепленными на валу 11. Утилизированную таким образом энергию потребитель получает при помощи привода 12.
Область подачи 8 рабочей жидкости может быть выполнена в виде жидкостного кольца со свободной поверхностью жидкости в окружающей газовой среде. В этом случае подвод 6 рабочей жидкости выполняется в виде каналов в корпусе 1 двигателя, излишки рабочей жидкости в жидкостном кольце собираются в емкости 7 и отводятся по каналу 19 (фиг.3).
Возможна такая конструкция рабочей камеры предлагаемого двигателя, в которой на выходе из проточной части рабочей камеры размещен сопловой аппарат 20, который совместно с эжекторным устройством 23 выполняет функции по созданию реактивных струй рабочего тела, вызывающих вращение ротора двигателя.
1. Двигатель, имеющий в своем составе ротор с закрепленной на нем рабочей камерой, проточная часть которой состоит из области подачи рабочей жидкости, области нагрева рабочей жидкости, снабженной отсеком интенсивного нагрева рабочей жидкости, имеющим эжекторное устройство, формирующее реактивные струи рабочего тела, вызывающие вращение ротора, гидрозатвора, препятствующего перетеканию рабочей жидкости из области нагрева рабочей жидкости в область подачи рабочей жидкости, неподвижную лопастную систему для изменения величины и направления скорости реактивных струй, источник тепла для внешнего нагревания рабочей жидкости, находящейся в области нагрева рабочей жидкости.
2. Двигатель по п.1, выполненный с возможностью утилизации кинетической энергии реактивных струй, истекающих из эжекторного устройства, при помощи рабочих органов турбомашины, не имеющей жесткой механической связи с ротором двигателя и вал которой расположен соосно с валом ротора двигателя.
3. Двигатель по п.1, область подачи рабочей жидкости которого представляет собой жидкостное кольцо со свободной поверхностью в окружающей газовой среде.
4. Двигатель по п.1, область подачи рабочей жидкости которого представляет собой жидкостное кольцо со свободной поверхностью в окружающей газовой среде, а кинетическая энергия реактивных струй, истекающих из эжекторного устройства, утилизируется при помощи рабочих органов турбомашины, не имеющей жесткой механической связи с ротором двигателя и вал которой расположен соосно с валом ротора двигателя.
5. Двигатель по п.1 с рабочей камерой, на выходе из проточной части которой размещен сопловой аппарат, совместно с эжекторным устройством выполняющий функции по созданию реактивных струй рабочего тела, вызывающих вращение ротора двигателя.
6. Двигатель по п.5, выполненный с возможностью утилизации кинетической энергии реактивных струй, истекающих из эжекторного устройства и соплового аппарата, при помощи рабочих органов турбомашины, не имеющей жесткой механической связи с ротором двигателя и вал которой расположен соосно с валом ротора двигателя.
7. Двигатель по п.5, область подачи рабочей жидкости которого представляет собой жидкостное кольцо со свободной поверхностью в окружающей газовой среде.
8. Двигатель по п.5, область подачи рабочей жидкости которого представляет собой жидкостное кольцо со свободной поверхностью в окружающей газовой среде, а кинетическая энергия реактивных струй, истекающих из эжекторного устройства и соплового аппарата, утилизируется при помощи рабочих органов турбомашины, не имеющей жесткой механической связи с ротором двигателя и вал которой расположен соосно с валом ротора двигателя.
www.freepatent.ru
Изобретение относится к тепловым машинам роторного типа. Термодинамический преобразователь энергии содержит корпус и ротор, выполненный в виде колеса со спицами, имеющими каналы - направляющие для лопаток, и жестко посаженный на вал. Вал ротора состоит из двух частей, жестко закрепленных на роторе и не проходящих через его тело. Одна из частей вала ротора выполнена полой и на ее фланце жестко закреплен суппорт, на котором расположены детали выдвижного устройства, включающего в себя четырехшарнирный механизм для выдвижения и задвигания лопаток. Выдвижное устройство содержит узел фиксации и управляемую втулочную муфту, имеющую на внутренней поверхности два кольцеобразных участка с прямыми и косыми шлицами, которыми она входит в зацепление с шестеренчато-кулачковой втулкой и втулкой коромысла четырехшарнирного механизма. На внешней поверхности управляемой втулочной муфты жестко закреплены толкатели втулочной муфты, входящие в зацепление с кулачком, расположенным на внутренней цилиндрической части суппорта. На нижней цилиндрической части суппорта свободно посажена ступица-кулачок, во внутренние пазы которой входит толкатель узла фиксации. Внешняя сторона ступицы-кулачка выполнена с прямыми шлицами, которыми она входит в зацепление с зубчатым колесом кривошипа, обкатывающимся по внутренней стороне выполненного с зубчатым венцом кольца корпуса. Профиль каждой канавки в продольном сечении представляет собой разорванную двухпериодную синусоиду с участками постоянного радиуса. Изобретение направлено на повышение надежности и КПД. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 14 ил.
Заявляемая группа изобретений относится к тепловым машинам роторного типа и предназначена для использования в качестве стационарных и передвижных силовых установок различных машин, в том числе в качестве двигателей для транспортных средств.
Широко известен изобретенный в 1816 году двигатель внешнего сгорания Стирлинга, являющийся одним из самых конструктивно и технологически проработанных (не считая паровых турбин) двигателем внешнего сгорания. Известен также роторный двигатель Ванкеля, работающий по циклу Стирлинга. Однако основные модификации двигателя Стирлинга (альфа, бета, гамма) конструктивно сложны и громоздки, схема преобразования предполагает значительные потери механической энергии, малая удельная мощность и проблемы с герметизацией рабочего тела сдерживают широкое применение двигателя данного типа.
Наиболее близким является тепловой роторный двигатель (двигатель внешнего сгорания) по 4 независимому пункту формулы патента РФ на изобретение №2387850 от 31.01.2008 г. Двигатель состоит из неподвижного корпуса с выполненными в нем канавками, жестко посаженного на вал ротора, суппорта и выдвижного устройства. Канавки с ободом ротора образуют полости, которые имеют впускные и выпускные окна. Ротор выполнен в виде колеса со спицами, имеющими каналы - направляющие для лопаток. Суппорт жестко закреплен на фланце вала ротора, на нем расположены детали и узлы выдвижного устройства, представляющего собой четырехшарнирный механизм выдвижения и задвигания лопаток. Однако данный двигатель имеет недостаточно высокий механический КПД.
Заявляемый роторный термодинамический преобразователь энергии, как и известные, содержит неподвижный корпус, ротор, выполненный в виде колеса со спицами, имеющими каналы - направляющие для лопаток, и жестко посаженный на вал. В корпусе имеются канавки, образующие с ободом ротора рабочие полости, каждая из которых имеет впускное и выпускное окна. Вал ротора состоит из двух частей, жестко закрепленных на роторе и не проходящих через его тело. Одна из частей вала ротора выполнена полой и на ее фланце жестко закреплен суппорт, на котором расположены детали выдвижного устройства, включающего в себя четырехшарнирный механизм для выдвижения и задвигания лопаток. Свободно вращающийся вал выдвижного устройства установлен внутри ротора на его геометрической оси и имеет рычаги с толкателями, связанными с лопатками.
Заявляемый преобразователь может быть реализован как силовое устройство паровой машины и как двигатель, использующий газообразное рабочее тело на всех стадиях цикла. Во втором случае применен принцип пространственного разделения полостей, когда одни полости находятся и участвуют в теплообмене в зоне нагрева, а другие полости - в зоне охлаждения, что характерно для двигателей Стирлинга альфа-модификации.
Задача, решаемая данным изобретением, заключается в создании более совершенной конструкции мощного, экономного, компактного и экологически чистого двигателя внешнего сгорания.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности использовании энергии газов и, соответственно, КПД, повышение надежности и уменьшение габаритов двигателя. Техническим результатом изобретения является также увеличение удельной мощности двигателя.
Данный технический результат достигается тем, что выдвижное устройство содержит узел фиксации и управляемую втулочную муфту, имеющую на внутренней поверхности два кольцеобразных участка с прямыми и косыми шлицами, которыми она входит в зацепление с шестеренчато-кулачковой втулкой и втулкой коромысла четырехшарнирного механизма. На внешней поверхности управляемой втулочной муфты жестко закреплены толкатели втулочной муфты, входящие в зацепление с кулачком, расположенным на внутренней цилиндрической части суппорта. На нижней цилиндрической части суппорта свободно посажена ступица-кулачок, во внутренние пазы которой входит толкатель узла фиксации, внешняя сторона ступицы-кулачка выполнена с прямыми шлицами, которыми она входит в зацепление с зубчатым колесом кривошипа, обкатывающимся по внутренней стороне выполненного с зубчатым венцом кольца корпуса. Профиль каждой канавки в продольном сечении представляет собой разорванную двухпериодную синусоиду с участками постоянного радиуса.
Данный технический результат для двигателя, использующего на всех фазах цикла газообразное тело, достигается тем, что двигатель состоит из k секций, где k=3, 4, 5 …, каждая из которых представляет собой преобразователь по п.1 формулы, размещенных последовательно на одном валу и соединенных соответственно элементами впускного - выпускного тракта, включающих трубопроводы и теплообменники.
Регулирование мощности двигателя осуществляется посредством золотников и перепускных каналов, установленных между трактами выхода и входа полостей холодной секции. Для осуществления процесса регенерации двигатель может быть оснащен вращающимися кассетами барабанного типа с размещенными в их теле регенераторами, барабаны каждой кассеты вставлены в разрыв двух трубопроводов впускного - выпускного тракта, осуществляющих движение рабочего тела согласно циклу.
Выполнение преобразователя с выдвижным устройством, содержащим управляемую втулочную муфту, шестеренчато-кулачковую втулку, втулку коромысла четырехшарнирного механизма и узел фиксации, позволяет создать участки постоянного радиуса в центре полостей, при соответственном (максимальном) выдвижении лопаток. Тем самым увеличивается постоянная составляющая силы давления газов на лопатку, что ведет к увеличению удельной мощности.
Выполнение двигателя (использующего газообразное рабочее тело во всех фазах цикла) как комбинацию нескольких преобразователей в виде секций, размещенных на одном валу, но с разными, соответственно подобранными объемами полостей, позволяет задать термодинамический цикл его работы (с учетом параметров рабочего тела, конструкционных материалов, используемого топлива), осуществить однонаправленное движение рабочего тела, а также обеспечить надежную герметизацию полостей секций (вследствие отсутствия возвратно-поступательного движения), что обеспечивает его более высокую энергетическую и экономическую эффективность.
Оснащение двигателя вращающимися кассетами с регенераторами позволяет осуществить теплообмен с меньшими потерями, что улучшает энергетическую эффективность и увеличивает КПД двигателя.
Изобретение поясняется с помощью чертежей, где на фиг.1 представлена схема преобразователя, на фиг.2 - общий вид преобразователя, на фиг.3 - суппорт в разрезе с управляемой втулочной муфтой, на фиг.4 - элементы узла фиксации (УФ) со ступицей-кулачком, на фиг.5 - функциональная схема работы двигателя по п.2 формулы, составленного из модулей-преобразователей (цикл Стирлинга), фиг.6 - схема работы двигателя (цикл Стирлинга), на фиг. 7 - диаграмма (цикл Стирлинга), на фиг.8 - кассета-барабан с регенераторами (регенератор), на фиг.9 - ролик лопатки, на фиг.10 - схема работы двигателя (цикл Карно), на фиг.11 - диаграмма (цикл Карно), на фиг.12 - схема работы двигателя (смешанный цикл), на фиг.13 - диаграмма (смешанный цикл), на фиг.14 - схема устройства управления мощностью двигателя.
Преобразователь энергии рабочего тела во вращательное движение (фиг.1, 2, 3, 4) состоит из неподвижного корпуса 1 с выполненными в нем канавками 2, жестко посаженного на вал 3 ротора 4, суппорта 5 и выдвижного устройства 6. Ротор 4 выполнен в виде колеса со спицами 7, имеющими каналы - направляющие для лопаток 8, причем канавки 2 с ободом ротора 4 образуют полости 9, которые имеют впускные 10 и выпускные 11 окна. Неподвижный корпус 1 также состоит из трех частей, нижняя 12 и верхняя 13 части являются одновременно нижней и верхней опорой цапф вала 3 и прикрывают с торцов основную часть корпуса 1, представляющую собой полый кольцеобразный цилиндр. На его внутренней поверхности выполнены канавки 2, профиль которых в продольном сечении представляет собой разорванную двухпериодную синусоиду с участками постоянного радиуса, сведенными в окружность. Суппорт 5 жестко закреплен на фланце вала 3 ротора, на нем расположены детали и узлы выдвижного устройства 6, представляющего собой четырехшарнирный механизм выдвижения и задвигания лопаток 8.
Выдвижное устройство (ВУ) 6 (фиг.3) содержит узел фиксации (УФ) 14 и управляемую втулочную муфту 15. Управляемая втулочная муфта 15 имеет на внутренней поверхности два кольцеобразных участка: один - с прямыми шлицами; второй - с косыми, которыми она входит в зацепление с шестеренчато-кулачковой втулкой 16 и втулкой 17 коромысла 18 четырехшарнирного механизма. Управляемая втулочная муфта 15 имеет на внешней поверхности толкатели 19, которые входят в зацепление с кулачком 20 геометрического замыкания, расположенного на внутренней цилиндрической части суппорта 5 (пазы на внутренней цилиндрической части суппорта). В данном варианте исполнения втулочная муфта 15 имеет по три толкателя 19, разнесенных равномерно по окружности в двух плоскостях (с учетом того, что угол поворота коромысла 18 до 90 град. (или до четверти оборота)). На цилиндрической части (шейке) суппорта 5 (фиг.4) свободно сидит ступица-кулачок 21 узла фиксации, входящая в зацепление с зубчатым колесом 22 кривошипа 23, которое обкатывается по внутренней стороне кольца с зубчатым венцом 24 корпуса 1. В пазы 25 ступицы-кулачка 21 входят толкатели 26 узла фиксации 14.
Заявляемый преобразователь (фиг.1, фиг.3, фиг.4) и преобразователь, изложенный в п.4 патента РФ на изобретение №2387850, являются основами (модулями) для построения двигателей внешнего сгорания, использующих различные термодинамические циклы в своей работе. В двигателях, где предусмотрено изменение агрегатного состояния рабочего тела (паровая машина), вышеуказанные преобразователи являются исполнительной силовой частью (расширительной машиной) (фиг.1), которая, получив нагретое и уже газообразное рабочее тело из нагревателя (парогенератора), через впускные окна 10, имеющие золотники 27, направляет его в рабочую полость 9 и, преобразовав энергию, отсылает в конденсатор (холодильник, на фиг.1 не показан).
С учетом того, что поверхность полостей для теплообмена преобразователя может быть многократно больше, чем в системе цилиндр-поршень, при равной площади поверхностей, преобразующих давление рабочего тела, в заявляемых вариантах преобразователя и двигателей на их основе есть возможность отказаться от устройства предварительного изменения рабочего тела в газообразное агрегатное состояние (парогенератора). Для этого нужно осуществить нагрев стенок корпуса 1 и ротора 4 (нагрев со стороны ротора технически не сложен), а в начале полостей 9 установить форсунки (на схемах не показаны). В результате вращения ротора 4 лопатки 8 создают разрежение в полости 9 и через впускные окна 10, имеющие открытые клапаны (золотники 27), в нее поступают горячие газы - продукты нагрева стенок рабочих полостей. Форсунки в момент после прохождения их лопатками 8 подают (впрыскивают) жидкое рабочее тело в полости, при этом золотники 27 перекрывают впускные окна 10. В результате контакта с горячими стенками полостей и продуктами сгорания рабочее тело переходит в газообразное состояние и совершает тем самым работу по преобразованию энергии.
Двигатели, использующие на всех этапах цикла только газообразное рабочее тело (фиг.1, 5), составлены из последовательно расположенных на одном валу преобразователей (секций) Si (где i=1, 2…k), каждый из которых имеет N полостей. Количество секций - k, соотношение объемов их полостей 9, а также расположение зон нагрева и охлаждения определяют термодинамический цикл работы двигателя (Карно, Стирлинга и др.). Процессы, происходящие в одной из определенной секции Si, соответствуют только определенному такту цикла. Все такты цикла происходят одновременно в своих секциях S и за 1/N оборота двигателя. Ротор 4 двигателя может иметь общую ободную поверхность для нескольких секций Si. Участки ротора 4 в секциях с различными термическими условиями разделяются теплоизоляционным кольцом 28. Зоны нагрева и охлаждения корпуса 1 должны быть теплоизолированы друг от друга. Такие важные для двигателя значения величин, как объем рабочих полостей 9 и площадь поверхности лопатки 8, воспринимающие давление, а также их длина, определяют ширину конкретной секции. При этом не меняется общий диаметр корпуса 1, ротора 4 и всех параметров, связанных с ним (толщина полостей 9, вылет лопаток 8 и т.д.), поэтому они для всех секций одинаковы. Выпускные окна 11 полостей одной секции Si последовательно соединены трубопроводами 29 с впускными окнами 10 другой Si+1 последующей по циклу секции. Так как в сущности безразлично, из какой полости 9 одной секции Si рабочее тело перейдет в какую-то другую конкретную полость 9 последующей (по циклу) секции Si+1, можно все выходы одной секции и все входы последующей свести в единый коллектор 30 кольцевого типа, охватывающий двигатель. Тем самым можно уменьшить газодинамическое сопротивление. Между определенными секциями S коллектор 30 будет исполнять роль теплообменника, и значительная площадь его поверхности будет этому способствовать.
На фиг.5 и фиг.6, 7 представлены конструктивное исполнение и схема двигателя внешнего сгорания, реализующего цикл Стирлинга. Он состоит из двух отделов, один из которых подвергается нагреванию (горячий) - Dh, а другой охлаждению (холодный) - Dc. Каждый отдел включает в себя по две секции S с разным объемом полостей (большим и меньшим). Причем объемы V2 и V3 больших полостей секций горячего Dh и холодного Dc отделов и секций с меньшим объемом V1, V4 разных отделов равны соответственно между собой. Основным отличием двигателей Стирлинга есть наличие регенераторов. В заявляемом двигателе для осуществления процесса регенерации служит устройство (фиг.8), представляющее собой N кассет барабанного типа 31, посаженных свободно на ось 32, каждая из кассет вставлена в разрыв двух трубопроводов 29: одного - идущего от холодного отдела Dc к горячему Dh, другого - от горячего к холодному (движение рабочего тела согласно циклу). Кассеты 31 имеют вставки с веществом, осуществляющим процесс регенерации (регенератор 33), разделенные радиальными теплоизоляционными пластинами 34. Необходимая частота вращения барабана 31 достигается путем подбора зубчатых колес привода 35, входящих в зацепление с зубчатым венцом 36 на разделительном теплоизоляционном кольце 28. Трубопроводы 29 различных направлений, в разрез которых вставлена кассета 31, диаметрально (не строго) разнесены относительно ее оси. Вращаясь, кассета 31 переносит вставки регенераторов 33, находившихся в тракте, проводящем рабочее тело от холодного отдела Dc корпуса к горячему Dh, до тракта, проводящего рабочее тело от горячего Dh к холодному Dc, и наоборот одновременно. Поэтому вещество регенератора нагревается, охлаждая рабочее тело тракта направления горячий - холодный отдел, и охлаждается, нагревая рабочее тело тракта направления холодный - горячий отдел корпуса, так как в предыдущем такте соответствующие участки регенератора находились в разрыве трактов противоположного направления. Возможен подвод трубопроводов 29 таким образом, чтобы была возможность осуществить однонаправленное движение рабочего тела через регенератор в обоих направлениях. Барабан кассеты 31 также может выполнять функцию запирающего устройства (золотника). Теплоизоляционные пластины 34 позволяют ограничить участие в теплообмене того вещества регенератора, которое находится вне зоны отверстия трубопровода 29.
Положительная работа в данном двигателе совершается в процессе расширения рабочего тела в горячем отделе, под воздействием результирующей силы, образованной в зависимости от разности приведенных площадей (площадей, воспринимающих давление рабочего тела), выступающих частей валиков, соответствующих смежных секций. Отрицательная работа сжатия в холодном отделе, механические и газодинамические потери существенно меньше положительной.
Такое исполнение позволяет иметь избыточное давление внутри ротора, сопоставимое с рабочим давлением в полостях, тем самым обеспечивая надежное уплотнение рабочих полостей.
Двигатели, использующие на всех этапах цикла только газообразное рабочее тело, могут быть составлены по вышеизложенной системе также из последовательно расположенных на одном валу описанных в п.4 формулы патента РФ на изобретение №2387850, отличающихся от заявляемого по п.1 формулы данного изобретения конструкционным исполнением выдвижного устройства и профилем канавок. При выполнении двигателя с преобразователем по п.4 патента №2387850 в качестве ВУ используется четырехшарнирный (кривошипно-коромыслово)-рычажно-ползунный механизм.
При выполнении двигателя с преобразователем по п.1 формулы данной заявки с профилем канавок, представляющих собою разорванную двухпериодную синусоиду, сведенную в окружность, и с участком постоянного радиуса в центре полостей, в основе ВУ используется также четырехшарнирный механизм, шестеренчато-кулачковая втулка и узел фиксации (УФ), аналогичный узлу фиксации, описанному в 1 независимом пункте формулы патента РФ №2387850 (но половина узла, только для вала). Конструкция ВУ в данном случае включает (фиг.4) управляемую втулочную муфту 15. Втулка коромысла 17, входящая в зацепление со шлицами втулочной муфты 15, передает ей два вида движения (из-за косых шлицов) - осевое вертикальное перемещение и вращательное движение. Пока толкатели втулочной муфты 19 находятся в горизонтальной части пазов 20, муфта 15, как и втулка коромысла 17, совершает только вращательное движение. При подходе втулки коромысла 17 к определенной мертвой точке (МТ) (меньшие скорости и перемещения) толкатели втулочной муфты 19 входят в зону перехода осевого расположения пазов 20 на суппорте 5, и тем самым изменяется закон движения как самой втулочной муфты 15, так и шестеренчато-кулачковой втулки 16 (а отсюда и вала 37, см. фиг.3, ВУ выдвижения лопаток 8) относительно движения втулки коромысла 17. Появляется осевая составляющая движения втулочной муфты 15 и в дальнейшем (согласно профилю пазов 20 (кулачков)) она становится преобладающей, вплоть до момента, когда будет только ее осевое перемещение по прямым шлицам шестеренчато-кулачковой втулки 16, несмотря на еще продолжающее вращение втулки коромысла 17. Шестеренчато-кулачковая втулка 16 строго отслеживает и повторяет вращательное движение втулочной муфты 15, поэтому также становится неподвижной относительно суппорта 5. А с учетом реверсного движения от определенной МТ, таким образом, образуется пауза (выстой), необходимая для срабатывания узла фиксации.
Возможна конструкция двигателя и без использования втулочной муфты 15, т.е. без паузы. Тогда шестеренчато-кулачковая втулка будет выходным звеном четырехшарнирного механизма, а муфта узла фиксации (УФ) будет иметь зубья трапециевидной формы.
Как вариант, узел фиксации (УФ) можно упростить, исключив коромысло УФ 14. Тогда (фиг.4) зубчатое колесо 22 кривошипа 23, обкатываясь по внутренней стороне кольца 24 корпуса с зубчатым венцом, входит в зацепление с зубчатым венцом на внешней поверхности ступицы-кулачка 21, свободно сидящей на цилиндрической части (шейке) суппорта 5, вращая ее. Толкатели 26 УФ входят в зацепление в паз 25 соответствующего профиля (пространственный кулачок геометрического замыкания), расположенного на внутренней поверхности ступицы-кулачка 21 и задающего порядок работы УФ.
Для уменьшения трения в двигателе (фиг.9) в вершину лопатки 8 может быть устанавлен ролик 38 лопатки.
Возможно использование данной конструкции и в виде насоса, и в виде движителя. Посредством привода любого типа осуществляется вращение ротора, рабочее тело вследствие созданного разрежения рабочим органом (лопаткой), через впускное окно заполняет полость. А рабочее тело перед рабочим органом выдавливается из полости через выпускное окно, которое может быть оснащено клапаном. Такой насос (или движитель) имеет высокие удельные характеристики.
Описание некоторых возможных циклов работы двигателя
1. Цикл Стирлинга.
При использовании двигателя с четырьмя секциями необходимо иметь следующие отношения полостей (см. фиг.6, 7):
(V1=V4)>(V2=V3),
где V1, V2… объемы полостей секций горячего отдела Dh;
V3, V4… объемы полостей секций холодного отдела Dc.
Пусть в секции S4 холодного отдела Dc двигателя с малым объемом полости V4 (далее - объем Vk) находится охлажденное рабочее тело, которое при вращении ротора 4 лопатками 8 перегоняется через нагретый регенератор 43 (при этом нагреваясь, охлаждая последний) в горячий отдел Dh, в объем V1, равный исходному. В результате происходит повышение температуры и давления (изохора d-a). Далее, при вращении ротора 4 происходит перемещение рабочего тела в больший объем V2, где оно получает энергию от нагревателя - осуществляется изотермическое расширение (а-b), совершается работа против внешних сил (за счет разности приведенных площадей лопаток 8 объемов V1 и V2). Далее, из объема V2 рабочее тело, охлажденное в предыдущих тактах, проходит регенератор 33, нагревая его (при этом теряя энергию), и переходит в равный объем V3 секций холодного отдела Dc двигателя - температура и давление падает (изохора b-с). При дальнейшем перемещении в объем V4 рабочее тело подвергается охлаждению, происходит изотермическое сжатие (c-d), осуществляется отрицательная работа, и далее цикл повторяется.
Процессы, происходящие в других полостях одной и той же секции, аналогичны и синхронны.
2. Цикл Карно.
Для построения двигателя, работающего по циклу Карно (фиг.10, 11), необходимо иметь четыре секции с соответствующим образом подобранными соотношениями объемов их полостей, когда
V1<V4<V2<V3.
Нагреву подвергают секцию с объемом полостей V2, а охлаждению - секцию с объемом полостей V4 (далее объем Vk). Тогда при вращении ротора 4 рабочее тело из объема VI переходит в объем V2 с подводом тепла Q, где происходит изотермическое расширение (а-b), дальнейшее расширение без подвода тепла происходит в объеме V3 (адиабата b-с). При переходе рабочего тела в меньший объем V4 происходит его сжатие с отводом тепла Q (изотерма c-d), при дальнейшем сжатии в объеме V1 без отвода тепла происходит повышение температуры и давления (адиабата d-a), далее цикл повторяется.
3. Смешанный цикл.
Двигатель, работающий по данному циклу, должен иметь четыре секции с объемами полостей, имеющими следующее подобранное соотношение (фиг.12, 13):
(V4=V1)<V2<V3.
Подвод тепла осуществляется к секциям с объемами полостей V1, V2, охлаждение - к секции с объемом полостей V4. Тогда изотермическое сжатие происходит в объеме V4 (c-d), а при дальнейшем прохождении рабочего тела в объем V1, равный предыдущему, с подводом тепла Q осуществляется изохорический нагрев (d-а). В дальнейшем работа осуществляется по циклу Карно.
Возможны и другие варианты изготовления двигателя внешнего сгорания, работающего по иным циклам в зависимости от количества секций, от соотношения величин объемов их полостей, а также расположения зон нагрева и охлаждения, с использованием регенератора или без такового.
В последних из двух рассмотренных циклов регенераторы 33 не используются.
Регулирование мощности двигателя (фиг.14) возможно с помощью перепускных каналов 39, установленных между трактами выхода и входа полостей холодной секции и золотников 40. В среднем положении золотники 40 частично перекрывают тракт выхода полостей холодной секции, это положение соответствует установившемуся нормальному режиму работы двигателя. Тогда при более сильном выдвижении в тракт выхода золотника 40 все больше рабочего тела перегоняется из конца данных полостей в их начало и меньше попадает в полости, где осуществляется полезная работа - мощность падает. А при прикрывании золотника 40, вплоть до закрытия перепускного канала, мощность двигателя возрастает. Таким образом можно добиться изменения мощности в широком диапазоне с достаточно высокой скоростью реакции. Данное регулирование мощности может выполняться как самостоятельно, так и быть дополнением к уже традиционно существующей системе регулирования двигателей внешнего сгорания.
В данной заявке не рассматриваются системы обеспечения работы двигателя.
1. Термодинамический преобразователь энергии, содержащий неподвижный корпус, ротор, выполненный в виде колеса со спицами, имеющими каналы - направляющие для лопаток, и жестко посаженный на вал, в корпусе имеются канавки, образующие с ободом ротора рабочие полости с впускными и выпускными окнами, вал ротора состоит из двух частей, жестко закрепленных на роторе и не проходящих через его тело, одна из частей вала ротора выполнена полой и на ее фланце жестко закреплен суппорт, на котором расположены детали выдвижного устройства, включающего в себя четырехшарнирный механизм для выдвижения и задвигания лопаток, и содержащий шестеренчато-кулачковую втулку, причем свободно вращающийся вал выдвижного устройства установлен внутри ротора на его геометрической оси и имеет рычаги с толкателями, связанными с лопатками, отличающийся тем, что выдвижное устройство содержит узел фиксации и управляемую втулочную муфту, имеющую на внутренней поверхности два кольцеобразных участка с прямыми и косыми шлицами, которыми она входит в зацепление с шестеренчато-кулачковой втулкой и втулкой коромысла четырехшарнирного механизма, на внешней поверхности управляемой втулочной муфты жестко закреплены толкатели втулочной муфты, входящие в зацепление с кулачком, расположенным на внутренней цилиндрической части суппорта, на нижней цилиндрической части суппорта свободно посажена ступица-кулачок, во внутренние пазы которой входит толкатель узла фиксации, внешняя сторона ступицы-кулачка выполнена с прямыми шлицами, которыми она входит в зацепление с зубчатым колесом кривошипа, обкатывающимся по внутренней стороне выполненного с зубчатым венцом кольца корпуса, профиль каждой канавки в продольном сечении представляет собой разорванную двухпериодную синусоиду с участками постоянного радиуса.
2. Роторный двигатель внешнего сгорания, отличающийся тем, что он состоит из k секций, где k=3, 4, 5 …, каждая из которых представляет собой преобразователь по п.1, размещенных последовательно на одном валу и соединенных соответственно элементами впускного-выпускного тракта, включающих трубопроводы и теплообменники, регулирование мощности двигателя осуществляется посредством золотников и перепускных каналов, установленных между трактами выхода и входа полостей холодной секции.
3. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что он оснащен вращающимися кассетами барабанного типа с размещенными в их теле регенераторами, барабаны каждой кассеты вставлены в разрыв двух трубопроводов впускного-выпускного тракта.
www.findpatent.ru
Теплово́й дви́гатель — устройство, совершающее работу за счет использования внутренней энергии топлива, тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию, использует зависимость теплового расширения вещества от температуры. (Возможно использование изменения не только объёма, но и формы рабочего тела, как это делается в твёрдотельных двигателях, где в качестве рабочего тела используется вещество в твёрдой фазе.) Действие теплового двигателя подчиняется законам термодинамики. Для работы необходимо создать разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Для работы двигателя обязательно наличие топлива. Это возможно при нагревании рабочего тела (газа), который совершает работу за счёт изменения своей внутренней энергии. Повышение и понижение температуры осуществляется, соответственно, нагревателем и охладителем.
Первой известной нам тепловой машиной была паровая турбина внешнего сгорания, изобретённая во ΙΙ (или в Ι ?) веке н.
эры в римской империи. Это изобретение не получило своего развития предположительно из-за низкого уровня техники того времени (например, тогда ещё не был изобретён подшипник).Работа, совершаемая двигателем, равна:
, где: 
— количество теплоты, полученное от нагревателя,
— количество теплоты, отданное охладителю.Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя рассчитывается как отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя: 
Часть теплоты при передаче неизбежно теряется, поэтому КПД двигателя менее 1. Максимально возможным КПД обладает двигатель Карно. КПД двигателя Карно зависит только от абсолютных температур нагревателя(
) и холодильника(
):
Дви́гатель Сти́рлинга — тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.
ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, тепловой двигатель, в котором часть химической энергии топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую энергию. По роду топлива различают жидкостные и газовые; по рабочему циклу непрерывного действия, 2- и 4-тактные; по способу приготовления горючей смеси с внешним (напр., карбюраторные) и внутренним (напр., дизели) смесеобразованием; по виду преобразователя энергии поршневые, турбинные, реактивные и комбинированные. Коэффициент полезного действия 0,4-0,5. Первый двигатель внутреннего сгорания сконструирован Э. Ленуаром в 1860. В наше время чаще встречается автомобильный транспорт, который работает на тепловом двигателе внутреннего сгорания, работающем на жидком топливе. Рабочий цикл в двигателе происходит за четыре хода поршня, за четыре такта. Поэтому такой двигатель и называется четырёхтактным. Цикл двигателя состоит из следующих четырёх тактов: 1.впуск, 2.сжатие, 3.рабочий ход, 4.выпуск.
Примером такого устройства является тепловая электрическая станция в базовом режиме. Таким образом колёса локомотива (электровоза) также, как и в 19 веке, вращает энергия пара. Но тут есть два существенных отличия. Первое отличие заключается в том, что паровоз 19 века работал на качественном дорогом топливе, например на антраците. Современные же паротурбинные установки работают на дешевом топливе, например на канско-ачинском угле, который добывается открытым способом шагающими экскаваторами. Но в подобном топливе много пустого балласта, который транспорту не приходится возить с собой вместо полезного груза. Электровозу не надо возить не только балласт, но и топливо вообще. Второе отличие заключается в том, что тепловая электрическая станция работает по циклу Ренкина, который близок к циклу Карно. Цикл Карно состоит из двух адиабат и двух изотерм. Цикл Ренкина состоит из двух адиабат, изотермы и изобары с регенерацией тепла, которая приближает этот цикл к идеальному циклу Карно. На транспорте трудно сделать такой идеальный цикл, так как у транспортного средства есть ограничения по массе и габаритам, которые практически отсутствуют у стационарной установки.
Примером такого устройства является тепловая электрическая станция в пиковом режиме. Порой в качестве газотурбинной установки используют списанные по технике безопасности воздушно-реактивные двигатели.
(источник журнал “Техника молодёжи“)== == Здесь в качестве рабочего тела используется твёрдое тело. Здесь изменяется не объём рабочего тела, а его форма. Позволяет использовать рекордно малый перепад температур.
dic.academic.ru
Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: возвратно-поступательное движение поршня и возвратно-поступательное вращательное движение ротора, кинематически связанного с поршнем, преобразуются во вращательное движение внутреннего вала и через газ, воздействующий на турбину, во вращение наружного вала. Двигатель состоит из рабочего цилиндра 1, поршня 2 с ротором 3 внутри, турбины 10, закрепленной на валу 12. Поршень 1 и ротор 3 размещены на внутреннем валу 11. Цилиндр 1 сообщен с приводной полостью 20 компрессора 4. Рабочая полость компрессора 4 сообщается через регенератор с горячим пространством 21 цилиндра 1. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к гидравлическим и пневматическим транспортным машинам, и может быть использовано на морском и речном транспорте и в качестве стационарных двигателей в тепловых энергоустановках.
Известен односекционный роторно-поршневой двигатель (см. книгу Н.А. Иващенко, В.И. Ивина и др. "Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей", М.: Машиностроение, 1980, с. 264). Недостатком данного двигателя является сложное планетарное движение ротора. Поэтому поверхности уплотнения и корпуса двигателя быстро изнашиваются. Наличие двух шестерен, эксцентрикового вала, маховиков-противовесов создает сложность конструкции. Известен поршневой ДВС (см. патент РФ N 2006625, опубл. 1994). Недостатком данного двигателя является то, что он ДВС. Известен также двигатель Стирлинга (см. книгу Г. Уокера "двигатели Стирлинга", М. : Машиностроение, 1985, 235), выбранный автором в качестве прототипа, состоящий из поршневой группы, включающей поршни и цилиндр, преобразующий механизм, состоящий из рабочих валов, ромбического привода, штоков поршней, картера. Недостатком данного двигателя Стирлинга является наличие сложного робмического привода, состоящего из двух противоположно вращающихся валов, сцепленных другом с другом двумя шестернями, четырех шатунов и двух крейцкопфов, а это создает неудобство компоновки, сложную конструкцию картера, громоздкость. Заявленное изобретение обеспечивает создание гидротурбин, роторно-поршневых, турбо-роторно-поршневых двигателей с внешним подводом тепла к приводной части, способных работать на любом топливе, компактных, экономичных, малошумных, с высоким КПД, экологически чистых. Указанный результат достигается тем, что в трубо-роторно-поршневом двигателе внешнего сгорания (ТРПДВС) преобразование возвратно-поступательного движения поршня и возвратно-поступательное движения ротора, кинематически связанного с поршнем, размещенного внутри поршня соосно с ним на цилиндрическом рабочем валу, осуществляется наклонным кольцевым пазом на боковой поверхности ротора, со свободно размещенным в нем подшипником качения, насаженным на палец, жестко закрепленный в рабочем цилиндре, при этом вращательное движение ротора передается внутреннему цилиндрическому рабочему валу с помощью шариков, обкатывающихся по продольным пазам в цилиндрическом рабочем валу и центральном отверстии ротора, а возвратно-поступательное движение поршня, размещенного в рабочем цилиндре, преобразуется через газ и жидкость во вращательное движение наружного вала с помощью турбины, закрепленной на нем. В приводной части двигателя отработавший горячий газ перед тем, как быть выброшенным в промежуточный охлаждаемый резервуар, проходит через регенератор и отдает ему все тепло. Сжатый же холодный газ, пропускаемый через регенератор, получает это тепло обратно перед тем, как попасть в рабочий цилиндр. На фиг.1 представлен ТРПДВС, продольный разрез; на фиг.2 - развертка; на фиг.3 - переборка с направляющими лопатками. Турбо-роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания (ТРПДВС) состоит из рабочего цилиндра 1, поршня 2, ротора 3, компрессора 4, всасывающего клапана 5, нагнетательного клапана 6, промежуточного резервуара 7, регенератора 8, охладителя 9, турбины 10, вала ротора 11, вала турбины 12, нагревательных трубок 13, тепловых трубок 14. Рабочий цилиндр 1 разделен двумя переборками 15 на роторно-поршневую полость 16, турбинную полость 17, буферную полость 18, сообщенную каналом 19 с приводной полостью 20 компрессора 4. Поршень 2 установлен в роторно-поршневой полости 16 с возможностью возвратно-поступательного движения и делит роторно-поршневую полость 16 на горячее пространство 21 и холодное пространство 22. Поршень 2 выполнен пустотелым с глухими отверстиями 23 в днище и продольным пазом 24 со свободно размещенным в нем подшипником 25, закрепленным на пальце 26, в свою очередь закрепленном в приливе 27 рабочего цилиндра 1, препятствующем проворачиванию поршня 2 вокруг своей оси. Поршень 2 связан с ротором 3 с помощью шариков 28, размещенных в беговых дорожках 29, выполненных с внутренней стороны юбки поршня 2, и на наружной боковой поверхности ротора 3. Ротор 3 свободно размещен внутри поршня 2 с возможностью вращения и связан с поршнем 2 шариками 28, удерживающими ротор 3 от осевых и боковых перемещений в поршне 2. На наружной боковой поверхности ротора 3 выполнен кольцевой наклонный паз 30 со свободно размещенным в нем подшипником качения 31, насаженный на палец 26. Ротор 3 также размещен на валу 11 с возможностью возвратно-поступательного движения и удерживается от проворачивания на нем шариками 32, обкатывающимися по продольным пазам 33, выполненным в центральном отверстии 34 ротора 3 и на наружной боковой поверхности вала 11. Часть вала 1 проходит сквозь центральное отверстие в переборке 15, разделяющей роторно-поршневую полость 16 с турбинной полостью 17. Далее вал 11 проходит сквозь вал турбины 12, в свою очередь размещенный во втулке 35, сообщающейся с переборкой 15, разделяющей турбинную полость 17 и буферную полость 18 с наружной торцовой крышкой 36 рабочего цилиндра 1. Турбина 10 жестко закреплена на валу 12 и размещена в турбинной полости 17 с возможностью вращения. Ротор турбины 10 снабжен рабочими лопатками 37. В переборках 15 выполнены секционно направляющие лопатки 38. Компрессор 4 состоит из: охлаждаемого цилиндра 39 с клапанной крышкой 40, пустотелого поршня 41, разделяющего цилиндр 39 на приводную полость 20 и рабочую полость 42. Рабочая полость 42 сообщается с охлаждаемым промежуточным резервуаром 7, охладителем 9. Охладитель 9 сообщается с регенератором 8, который, в свою очередь, сообщается с горячим пространством 21 роторно-поршневой полости 16 рабочего цилиндра 1 нагревательными трубками 13, размещенными вместе с тепловыми трубками 14 в топке 43. Роторно-поршневая полость 16, турбинная полость 17, буферная полость 18 и приводная (часть) полость 20 компрессора 4 заполнены жидкостью или газом. При работе ТРПДВС газ из промежуточного резервуара 7 и охладителя 9 через клапан 5 попадает в компрессор 4, сжимается и через клапан 6 выходит в промежуточный резервуар 7 и через охладитель 9, регенератор 8 и нагревательные трубки 13 попадает в пространство 21 в рабочем цилиндре 1 нагретым в нагревательных трубках 13 и продолжает нагреваться тепловыми трубками 14, находясь в горячем пространстве 21. Здесь газ расширяется, совершая полезную работу, которая частично запасается в поднимаемом поршне 2, в поднимаемом и одновременно вращающемся роторе 3 и вращающемся роторе турбины 10, частично идет на сжатие холодного газа в компрессоре 4 и его перепуск через турбинную полость 17 и канал 19. Остальное - полезная работа. Опускаясь (двигаясь к ВМТ) под давлением вращающегося и перемещающегося вниз вместе с поршнем 2 ротора 3, поршень 2 выталкивает отработавший газ через нагревательные трубки 13, регенератор 8, охладитель 9 и клапан 5 в промежуточный резервуар 7. При этом в компрессор 4 засасывается свежая порция газа, охлажденного в охладителе 9 и в охлажденном промежуточном резервуаре 7. В топке 43 система нагревательных трубок 13 и тепловых трубок 14 нагревается пламенем горящего топлива. Чтобы как можно полнее использовать теплоту продуктов сгорания, холодный воздух, подводящийся к топке 43, предварительно подогревается отработавшими газами в воздухонагревателе. Газ из промежуточного резервуара 7 и через клапан 6, через охладитель 9 и регенератор 8, нагреваемый в нагревательных трубках 13, попадает в горячее пространство 21, продолжая нагреваться тепловыми трубками 14, расширяясь, заставляет поршень 2 перемещаться к нижней мертвой точке (ВМТ), при этом через шарики 28 заставляет ротор 3 перемещаться вместе с поршнем 2. Подшипник 31, обкатываясь по наклонному кольцевому пазу 30, заставляет ротор 3 вращаться. Вращение ротора 3 через шарики 32 в пазах 33 передается цилиндрическому валу 11. Газ, находящийся под давлением, из роторно-поршневой полости 16 перетекает через турбинную полость 17, буферную полость 18, при этом проходя секции направляющих лопаток 38 в переборке 15, воздействуя на рабочие лопатки 37 турбины 10, заставляет ее вращаться, перетекая через направляющие лопатки 38, поток спрямляется и через канал 19 перетекает в приводную полость 20 компрессора 4, воздействуя на пустотелый поршень 41, заставляет его двигаться к клапанной крышке 40. Находящийся в рабочей полости 42 сжатый газ через клапан 6 перепускается в промежуточный охлаждаемый резервуар 7, охладитель 9 и регенератор 8 через систему нагревательных трубок в горячее пространство 21. После прохождения ВМТ поршнем 2 и ротором 3, благодаря накопившейся энергии, ротор 3, продолжая вращаться, с помощью наклонного кольцевого паза 30 перемещается к ВМТ. За поршнем давление газа падает и он, перетекая из приводной полости 20 компрессора 4 через канал 19, буферную полость 18, турбинную полость 17, через направляющие лопатки 38, воздействуя на рабочие лопатки 37, заставляет ротор турбины 10 вращаться в первоначальном направлении. Поршень 41 перемещается в цилиндре 39 к каналу 19. Через клапан 5 в цилиндр 39 всасывается газ из промежуточного резервуара 7. В это же время поршнем 2 выталкивается отработавший газ через нагревательные трубки 13, регенератор 8, охладитель 9, открытый клапан 5 в промежуточный резервуар 7 и рабочий цикл повторяется. Холодное пространство 22 цилиндра 1, цилиндр 39 компрессора 4, промежуточный резервуар 7 охлаждается водой, прокачиваемой через каналы в стенках. ТРПДВС может быть использован как автономно работающий двигатель-цилиндр в многоцилиндровых главных модульных двигателях с вертикальным расположением двигателей-цилиндров, рабочим валом вверх на морских судах и кораблях.Формула изобретения
1. Турбороторно-поршневой двигатель внешнего сгорания, содержащий рабочий цилиндр с нагревательными трубками, поршень, установленный в цилиндре с образованием горячей и холодной полостей переменного объема, рабочие валы, нагреватель (топка), охладитель и регенератор, сообщающийся с нагревательными трубками, при этом рабочие полости двигателя заполнены газом, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен тепловыми трубками, ротором, размещенным внутри поршня на цилиндрическом рабочем валу с возможностью возвратно-поступательного и вращательного движений, компрессором, ось цилиндра которого расположена параллельно оси рабочего цилиндра двигателя, турбиной с пустотелым валом, размещенных в рабочем цилиндре двигателя на рабочем валу соосно поршню и ротору, и промежуточным резервуаром, сообщенным через нагнетательный и всасывающий клапаны с рабочей полостью компрессора, при этом в днище поршня выполнены глухие отверстия, а на его боковой поверхности - сквозной продольный паз, на боковой поверхности ротора выполнен наклонный кольцевой паз, на боковой поверхности рабочего цилиндра, в приливе закреплен палец с двумя подшипниками качения, один из которых входит в продольный паз поршня, фиксируя его от проворачивания вокруг оси, а другой свободно размещен в кольцевом пазу ротора, ротор удерживается от проворачивания на цилиндрическом рабочем валу при помощи шариков, свободно размещенных в продольных пазах, выполненных в центральном отверстии ротора и на боковой поверхности цилиндрического рабочего вала, а холодная полость рабочего цилиндра разделена двумя переборками с секциями направляющих лопаток на роторно-поршневую, турбинную и буферную полости, последняя из которых сообщена каналом с приводной полостью компрессора. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что на внутренней стороне днища поршня нанесен слой термоизоляции.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3www.findpatent.ru
