Роторный двигатель с внешним подводом теплоты а. в. чащинова

(ГОСПАТЕНТ С И ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(Ф 5) А,В.Чащиновф 6) Патент США М1982. ны дву ной по лен возмо с соот ления виде в ратор снабж Включ тором 7800, кл, 60-519,лям в электронной, атомной и космической технике.На конец 60 годов конструкции двигателей Стирлинга (первое поколение) имели: раздельные камеры сгорания для каждого цилиндра; наличие в каждом цилиндре двух поршней - рабочего и вытеснительного; использование кривошипно-шатунного и ромбического механизма для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движдение вала отбора мощности.Удельная масса двигателей внутреннего сгорания (первого поколения) составляет 4,5-15 кг/КВТ, аналог-двигатель типа 43-1250, мощность 295 кВт, масса 3175 кг, изготовитель - фирма "Дженерал- Моторс".Основными конструктивными отличиями двигателей Стирлинга второго поколения (конец 70 г) являются использование единой камеры сгорания на все или группу цилиндров двигателя; наличие в цилиндре одного поршня двойного действия, выполняющего функции рабочего и вытеснительного; применение в качестве силовой передачи кривошипно-шатунного крейцкопфного механизма, косой шайбы,еД1916 с 50- связ(7) Сущность изобретения заключается вТОм, что корпус и ротор двигателя выполнеИзобретение относится к машиностроенйю и может быть использовано для разработки двигателей внешнего сгорания.В качестве аналогов изобретения рассмотрим поршневые двигатели внешнегосгорания; роторные двигатели внешнегосгорания,Поршневые двигатели внешнего сгорания,В настоящее время наиболее широкоераспространение имеют поршневые двигатели внешнего сгорания Стирлинга. Двигателль Стирлинга - это тепловаяргенеративная машина, работающая позамкнутому термодинамическому циклу, вкоторой циклические процессы сжатия ирасширения происходят при различныхуровнях температур, а управление потокомрабочего тела осуществляется путем измнения его объема; в двигателях внешнегосгОрания Эриксона управление потоком рабочего тела осуществляется посредствомклапанов,вигатель Стирлинга был изобретен в , и получил широкое распространение годов 20-га века в первую очередь в с рядом особых требований к двигатехвершинными с конхаиднои радиальверхностью их сторон, ротор установна эксцентриковом валу с жностью шестеренчатого зацепления ношением передачи 1:2: орган управ- потоком рабочего тела выполнен в пускных и выпускных окон, а регене - в виде тепловой трубы, Двигатель ен дополнительной полостью сжатия, енной в магистраль между регенераи охладителем. 7 з.п, ф-лы, 12 ил,блок Б 2. снабженный ротором, описание которого приведено ниже.На фиг,11 А, Б в двух проекциях изображен двигатель роторный внешнего сгорания, включа ощий блок Б 1 - блок 5расширения и блок Б 2 - блок сжатия, которые установлены на общем основании 1,ротора блоков связаны одним эксцентриковым валом 2 и установлены один относительно другого на 90 О, Блок Б 1 содержит 10корпус 3, ротор 5, крышки, закрывающиекорпус в крышке 4 выполнено впускное окно 6 и выпускное окно 7, на входе впускногоокна 6 установлен нагреватель 8, конденсатор Б регенератора 9, через соединительньге трубки 14 соединен с выпускным окном13 полости Ч 1 блока Б 2; на выходе выпускного окна 7 блока Б 1, установлены металлические трубки, которые проходят черезиспаритель А регенератора 9, охладитель 2010, соединительные трубки 11 и связаны свходным окном 12 полостью Ч 2 блока Б 2, Нафиг.11 В изображены на общем основании 1корпуса блоков Б 1 и Б 2 с роторами, длянаглядности развернутыми на валу 2, где 25обозначены корпуса 3 и 3, для блока Б 1 -впускное окно 6, выпускное окно 7, полюсконхоиды 16, полость Ч 1, для блока Б 2 -впускное окно 12, выпускное окно 13, полюсконхоиды 16, полость сжатия Ч 1, полость 30Ч 2, куда поступает рабочее тело по трубкам11, направление вращения ротора и эксцентрикового вала показано стрелками Ч,При работе двигателя по примеру б, горячее рабочее тело из блока Б 1, через выпускное окно 7, поступает по трубкам виспаритель А регенератора 9, где передаеттепло веществу с фазовым переходом, и далее, через охладитель 10, трубки 11, впускное окно 12 поступает по стрелке Ч 1 в 40полость Ч 2, в которой создается разрежение (понижение давления) при вращенииротора 51 по стрелке Ч. В это же время вполости Ч 1 блока Б 2 давление повышаетсяза счет уменьшеня ее объема при вращении 45ротора, при этом из полости Ч 1 через выпускное окно 13, через охладитель 14, пострелке Ч 2, трубкам 15, рабочее тело поступает в конденсатор Б регенератора 9. гдепроисходит предварительный его нагрев, 50далее через нагреватель 8 горячее рабочеетело поступает в рительный его нагрев, далее, через нагреватель 8 горячее рабочеетело через впускное окно 6 (при открытииего выемкой в торце ротора) поступает в 55полость расширения блока Б 1. где, при расширении рабочего тела и его воздействиидавлением на ротор 5, последний приводитво вращение эксцентриковый вэл 2, который является выходным валом двигателя,Таким образом в двигателе роторном по примеру 6 начинается процесс вращения выходного вала, Ротора и эксцентрики в блоках Б 1 и Б 2 могоут быть установлены в пределах от 0 до 18 В,П р и м е р 7. На фиг,12 в двух проекциях изображен двигатель роторный внешнего сгорания, содержащий два подобных блока, установленных на общем основании 1, ротора блоков связаны одним эксцентриковым валом 2 и установлены один относительно другого под углом 90 О, В отличие от двигателя по примеру б, в примере 7 блок Б 2 также содержит нагреватель и регенератор, и участвует в создании момента вращения на валу 2, Данная конструкция позволит увеличить удельную мощность двигателя,Двигатель роторный внешнего сгорания, показанный на фиг,12 А, Б, В включает;два корпуса 3 и 3, два впускных окнах би 61,два выпускных окна 7 и 7, два нагревателя 8 и 81,два регенератора 9 и 9, два охладителя 10 и 10,полюса 11 и 11 - конхоидных рабочих камер, рабочие полости Ч 1 и Ч 2, которые изменяют свой объем при вращении роторов 5 и 5,Рабочее тело при работе двигателя, содержащего блоки Б 1 и Б 2, перемещается в одном направлении через всю систему от выпускного окна 7 блока Б 1, через испаритель А регенератора 9, по стрелке Ч 1 через охладитель 10, конденсатор Б регенератора 9, нагреватель 8, впускное окно 6 блока Б 2, выпускное окно 7, по стрелке Ч 2 через испаритель А регенератора 9 , охладитель 10 по стрелке Ч 2 через конденсатор Б регенератора 9 блока Б 1, нагреватель 8, впускное окно б блока Б 1, полость расширения блока Б 1, замыкая, таким образом канал, по которому проходит рабочее тело при работе двигателя, Далее процесс повторяется циклически при вращении эксцентрикового вала, причем, за один оборот вала на 360 О, этот процесс повторяется два раза,Каждый ротор одновременно участвует в двух, при этом, в данном двигателе двойного действия каждый ротор выполняет две функции: заполнение рабочим телом полости расширения переменного объема и вытеснение рабочего тела из полости также переменного объема; передачу усилия на эксцентриковый (выходной) вал двигателя.Работа двигателя протекает подобно двигателю, описанному в примере 2, с тем отличием, что в наполнении рабочим телом полости расширения, например, блока Б 1, используется повышение давления в поло22 1795138 21 сти сжатия блока Б 2, аналогично протекает процесс при наполнении рабочим телом полости расширения блока Б 2, поэтому более подобно описание работы не приводим вследствие ее простоты и очевидностиПри решении вопроса о выборе оптимального варианта двигателя роторного с внешним сгоранием следует в основу выбоФормула изобретения1.Роторный двигатель с внешним подв дом теплоты, содержащий корпус с крышк ми, эксцентриковый вал, проходящий ч рез крышки корпуса, ротор с торцовыми и радиальными уплотнениями, установленнй на эксцентриковом валу и размещенный в корпусе так, что разделяет его объем нЬ полость расширения и полость сжатия, и магистраль подключения полостей одна к другой с установленными в ней нагревателем, регенератором, гхладителем и органом управления потоком рабочего тела, о т л ич ю щ и й с я тем, что, с целью повышения э фективности, ротор и корпус выполнены д ухвершинными с конхоидной радиальной и верхностью их сторон, а ротор установл н на эксцентриковом валу с возможностью шестеренчатого зацепления с сботношением передачи 1:2,2. Двигатель по и. 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что орган управления потоком рабочего тела выполнен в виде впускного и выпускного окон, расположенных соответственно в полости расширения и полсти сжатия, причем впускное окно выполнено в крышке корпуса и расположено выше лИнии, перпендикулярной диаметру основной окружности в точке полюса конхоиды,3, Двигатель по пп, 1 и 2, о тл и ч а ющ и й с я тем, что регенератор выполнен в виде тепловой трубы.4. Двигатель по пп, 1-3, о т л и ч а ющ и й с я тем, что он снабжен дополнительной полостью сжатия, включенной в магистраль между регенератором и охладителем и выполненной в виде корпуса с крышками и ра принять технические требования к такому двигателю.При требовании обеспечения такимдвигателем, например, условий: самопуска 5 и малых вибраций - целесообразно в основуего конструкции принять двигатель по примеру 7, выполненный с учетом схемы не менее четырех двигателей по примеру 4,ротора, размещенного в корпусе и установленного на эксцентриковом валу двигателя.5. Двигатель по пп. 1-4, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью сокращениявремени запуска; в теле эксцентрика выполнены каналы, подключенные к магистралициркуляции рабочего тела.6. Двигатель по пп, 1-5, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышенияравномерности крутящего момента, онснабжен дополнительным двигателем, причем роторы двигателей соединяют однимэксцентриковым валом, полюса конхоидрасполагают на одной оси, а плоскости, проходящие через вершины роторов, являютсяперпендикулярными.7. Двигатель по пп, 1-5, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью уменьшениявибраций, он снабжен дополнительнымдвигателем, причем роторы двигателей соединяют одним эксцентриковым валом, полюса конхоид рабочих камер и роторов.располагают диаметрально противоположно относительно оси эксцентрикового вала,а плоскости сечения, проходящие через вершины роторов, - параллельны.8. Двигатель по пп, 1-5, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью увеличения удельной мощности, он снабжен дополнительным двигателем, причем эксцентриковыевалы двигателей соединены последовательно, эксцентрики и роторы смещены одинотносительно другого на угол до 180 включительно, а полости расширения и сжатия итеплообменные аппараты объединены припомощи соединительных каналов в общуюсистему, 1795138удельная масса двигателей двойногодействия достигла 2-4,3 кг/кат, аналог-двигатель Стирлинга типа Р, масса со вспомогательными агрегатами 650 кг,изготовитель-фирма "Юнайтед-Стирлинг". 5а сравнении с поршневыми двигателями внутреннего сгорания-двигатели Стирлинга имеют следующие основныедосб 96 ства: высокая экономичность: малый уройень шума; малая токсичность выпускаемых газов; возможность работы,практически, от любых источников теплоты.Роторные двигатели внешнего сгорания,Относят к третьему поколению тепловых регенеративных машин, работающих позамкнутому термодинамическому циклу.В сравнении с поршневыми двигателями внешнего сгорания - роторные двигатели имеют существенно меньшие удельные 20массу и объем. Рассмотрим наиболее известные образцы названных устройств,Роторный двигатель с двумя роторнымиустройствами,а роторном двигателе, Приведенном в 25запатентованном фирмой Даймлер-Бенц,на одном валу со сдвигом в 90 размещены,цва роторных устройства типа двигателяаанкеля, Выходные патрубки соединеныпоследовательно через нагреватель, реге- З 0нератор и холодильник таким образом, чтодвигатель может работать по циклу Стирлинга двойного действия. В одно роторноеустройство поступает горячий газ, где происходит его расширение с получением по- З 5лезной работы, в другое роторноеустройство поступает холодный газ, гдепрОизводится его сжатие. Для управленияпотоками газа применены золотники, скорость вращения которых синхронизирована 40со скоростью вращения роторов, а теплообменник включает подогреватели и холодильники,В данном двухроторном двигателе осуществляются два полных цикла за один оборот эксцентрикового вала, Применениероторно-зпитрохоидального механизма позволяет значительно снизить массу и объемдвигателя Стирлинга по сравнению с конструкциями, где в качестве привода использован кривошипно-шатунный илиромбический механизм.Схема двигателя с двумя роторными машинами,Схема роторного двигателя, предложенная Цвауэром, содержит две роторныемашины типа аанкеля, расположенные наобщем валу, и два регенератора, установленных симметрично относительно продольной оси двигателя, Одна из роторных машин представляет собой блок сжатия, другая - блок расширения. Каждый блок состоит из трех отдельных полостей (камер). в каждой из которых за один оборот вала осуществляются два процесса сжатия и расширения, Таким образом, комбинация из таких двух роторных машин приводит к трем отдельным системам, в каждой из которь 1 х осуществляются два полных цикла за один оборот вала.При разработке роторных двигателей основные трудности связаны с решением вопросов по неуравновешиваемости и уплотнениям.Анализ аналогов предлагаемого устройства выполнен по известным источникам.а качестве прототипа изобретения принят роторный двигатель, предложенный Цваузром, где две роторные машины типа двигателя Ванкеля расположены на общем валу, а два регенератора - симметрично относительно продольной оси двигателя. Одна из роторных машин представляет собой блок сжатия, другая - блок расширения. Комбинация из двух таких машин приводит к трем отдельным системам, в каждой из которых осуществляются два полных цикла эа один оборот вала,Недостатком прототипа является применение ротора треугольной формы, который сложен по конструкции и в производстве, а также трудность обеспечения его уравновешиваемости,Целью изобретения является упрощение конструкции ротора роторного двигателя (прототипа), что позволит снизить трудоемкость его производства, при одновременном обеспечении уравноцешиваемости предложенного устройства,а основе предложенной конструкции двигателя положен принцип разделения холодной и горячей рабочих полостей, а рабочее тело направляется из одной полости в другую посредствоМ ротора, который вращается в одном направлении, поскольку работа, затрачиваемая ротором на сжатие холодного рабочего тела меньше работы, которую ротор (поршень) совершает при расширении горячего тела, то двигатель вырабатывает полезную механическую энергию,Для создания необходимых газовых потоков рабочего тела используется изменение физических объемов рабочих полостей, при этом, направление потока рабочего тела во всей системе двигателя при его работе остается постоянным по направлению, но пульсирующим по величине, величина пульсаций определяется, в основном, размера 17951381795138 4 о ФИГ. 12 Составитель А, ЧащиноТехред М,Моргентал КоРРектоР Н унько то роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 аказ 415 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/510 15 20 ми конхоидной рабочей камеры и конфигурацией ротора.Момент начала вращения эксцентрикового вала роторного двигателя происходит следующим образом: при нагревании внешним источником тепла герметически замкнутой рабочей камеры, в которой рабочее тело находится под давлением например - гелий в системе двигателя при давлении 10 МПа), давление рабочего тела в полости расширения возрастает и ротор-поршень начинает вращение под действием давления расширяющегося рабочего тела, а вместе с ротором начинает вращаться эхсцентриковый вал, который является валом нагрузки.Ротор двигателя производит одновременно двойное действие, так как одна его радиальная поверхность находится в полости расширения, где управляет движением потока горячего рабочего тела, вторая его радиальная поверхность находится в полости сжатия, где управляет потоком рабочего тела по его выталкиванию в полость регенерфтора и охладителя через выпускное окно; одновременно ротор передает усилие на эйсцентриковый вал, который является валм нагрузки, таким образом предложенный двигатель является двигателем двойного действия,Управление процессом впуска рабочего тела в рабочую камеру - (ее полость расширЕния) и роизводится посредством открывания и закрывания впускного окна в крышке рабочей камеры двигателя-торцовой стороной ротора, выталкивание рабочего тела из рабочей камеры производится также ротором.В роторном двигателе в качестве регенвратора (рекуператора) применено устррйство, построенное на принципе твпловой трубки, в которой в зоне испарителя установлен пучок трубок, по которым проходит горячее рабочее тело из полости сжатия в охладитель, а в зоне конденсатора установлен пучок трубок, по которым рабочее тело поступает из охладителя в нагреватель,Сущность и новизна изобретения заключаются в том, что в отличие от прототипа - роторного двигателя Цвауэра, в предложенном роторном двигателе внешнего сгорания;с целью упрощения конструкции ротор дВигателя выполнен двухвершинным (ромбовидным) с конхоидной радиальной поверхностью двух его сторон и установлен на эксцентриковом валу в рабочей камере, радиальная поверхность которой выполнена также по конхоиде, рабочая камера делится 25 30 35 40 45 50 55 ротором на две камеры, объемы которых изменяются при вращении ротора от нуля до максимального значения - циклически, оси полюсов конхоид рабочей камеры и ротора совмещены; при работе двигателя ось ротора движется по основной окружности конхоиды, а вершины ротора движутся по радиальной конхоидной поверхности рабочей камеры, что обеспечивается двумя шестернями с передаточным отношением 1;2, при этом, ротор вращается на подшипнике, который расположен на эксцентрике эксцентрикового (выходного) вала двигателя; впускное окно для пропуска рабочего тела в рабочую камеру двигателя выполнено в его крышке, а на торцевой стороне ротора, с этой же целью симметрично относительно оси эксцентрика, выполнены две выемки; для предотвращения утечки рабочего тела из рабочей камеры двигателя, на торцевой поверхности ротора установлены в несколько рядов уплотнения как по ее внешнему, так и внутреннему(со стороны эксцентрика) контурам, выполненные, например, из тефлона, который не требует смазки; управление потоком рабочего тела, поступающего через впускное окно в рабочую камеру (полость расширения) осуществляется путем закрывания и открывания этого впускного окна торцовой стороной ротора при его вращении на эксцентриковом валу, а выталкивание этого рабочего тела из полости сжатия осуществляется этим же ротором через выпускное окно, которое может быть выполнено как в корпусе (радиально), так и в крышке данного двигателя,с целью исключения возникновения осевого давления на одном торце ротора, на втором его торце выполнены, симметрично, аналогичные описанным выше выемки, а оба торца ротора связаны сообщающимися каналами,с целью усиления механической связи ротора с эксцентриковым валом, что особенно важно для мощных роторных двигателей, введена дополнительно вторая зубчатая передача по параметрам равная первой, но установленная на противоположной стороне ротора и второй крышке,с целью повышения КПД регенератора, который является, по существу, рекуператором, он выполнен в виде тепловой трубки, охватывающей, по возможности, более полно корпус двигателя, в этой тепловой трубке установлены трубчатые испаритель иконденсатор,с целью повышения КПД двигателя предложено в конструкцию эксцентрика эксцентрикового вала ввести каналы, по которым пропускать часть рабочего тела, отхо 179513855 дящего из выпускного окна рабочей камеры, что позволит дополнительно нагревать эксцентрик и двигатель за счет тепла отходящего рабочего тела,с целью увеличения напора при перемещении рабочего тела в полость расширения двигателя, в соединительный канал, проходящий через выпускное окно, испаритель регенератора, охладитель, конденсатор регенераторэ, нагреватель и впускное окно полости расширения, дополнительно включен роторный компрессор, установленный нэ одном общем основании с роторным блоком двигателя, содержащим нагреватель, при этом, ротора блока двигателя и компрессора установлены на одном общем эксцентриковом валу, который является валом отбора мощности двигателя,с целью увеличения удельной мощности двигателя в его конструкцию включены дваблока, установленных на одном основании, ротора блоков связаны одним эксцентриковым валом и общим соединительным каналом для перемещения рабочего тела через полости сжатия и расширения, регенерато-. ры, охладители и нагреватели.для полного исключения вибрации роторного двигателя в заявке приведен ряд примеров выполнения конструкции предложенного устройства, каждое из которыхвключает блоки (двигатели), установленные на общем основании, ротора которых связаны одним эксцентриковым валом, при этом ниже в примерах, посредством графического метода теоретически показано, что при работе такого (назовем многоцилиндрового) двигателя, будет обеспечена идеальная сбалансированность всех сил инерции вращающихся масс (ротора, эксцетрики и др,), всех блоков-двигателей, установленных наобщем основании без применения специальных балансиров при любых оборотах в минуту общего эксцентрикового вала,Таким образом, при отсутствии в предложенном роторном двигателе внешнегосгорания внутренних взрывов при сгораниитоплива, как в ДВС, и наличии идеальной, обусловленной конструкцией устройства, сбалансированности всех вращающихсямасс - проблема балансировки данногодвигателя решена.П р и м е р 1, На фиг.1 изображена конструктивная схема предложенного двигателя роторного внешнего сгорания в трех проекциях, где нэ фиг.1 А изображен двигатель, вид сбоку; на фиг,1 Б - вид двигателя вдоль оси эксцентрикового вала 2, на фиг.1 В - вид двигателя сверху. На проекциях фиг,1 А, Б, В показаны детали; корпус 1, зксцентриковый вал 2, эксцентрик 3, уста 5 10 15 2025 3035 4050 новленный на эксцентрике 3 подшипник 4, который может быть выполнен в виде шарикоподшипника, металлофторопластового подшипника скольжения и т.п., на этом подшипнике размещен ротор, 5, на торцовых сторонах которого имеются выемки 6 и б, 7 и 7, предназначенные для впуска рабочего тела через впускное окно 8, выполненное в крышке двигателя, в его полость расширения Ч 1, за время, эти полости проходят над впускным окном 8 при вращении ротора 5, выпускное окно 9, выполненное в корпусе 1 (в данном примере), предназначено для выталкивания рабочего тела из полости сжатия Ч 2 ротором 5 при его вращении по часовой стрелке; рабочее тело (например- гелий) из полости Ч 2 через выпускное окно 9, пучок трубок 10, которые размещены в зоне испэрителя А - регенератора 11, по стрелке Ч 1 поступает в охладитель 12, откуда по стрелке Ч 1 - через пучок трубок 13, установленных в зоне конденсатора Б-регенератора 11, поступает в нагреватель 14, и далее, через впускное окно 8 - рабочее тело поступает в полость расширения Ч 1; при вращении ротора 5 в полости Ч 1 создается разрежение, что способствует перемещению в нее рабочего тела из охладителя - через конденсатор Б и нагреватель 14; одновременно при вращении ротора 5 в полости Ч 2, трубках 10 и охладителе 12 создается некоторое давление, что также способствует перемещению рабочего тела из полости Ч 2 через охладитель в полость Ч 1. Для выравнивания осевого давления с торцовых сторон ротора. в его корпусе выполнены симметрично относительно оси эксцентрика два сквозных канала 15, корпус двигателя установлен на основаниях 1 б, 17. С целью дополнительного нагрева корпуса двигателя на фиг.1 Б - показано удлинение В-регенератора 11, выполненного на принципе тепловой трубки, желательно, при разработке конструкции двигателя обеспечить более полный охват и контакт тепловой трубки с его корпусом,Выполнение регенератора 11, работающего по принципу действия тепловой трубки, стало возможным потому, что при работе предложенного устройства направление потока рабочего тела (например - гелия) является неизменным, то есть регенератор 11, по существу, является рекуператором, однако, в заявке мц будем пользоваться принятым в двигателях внешнего сгорания термином-регенератор.Поскольку регенератор является одним из самых важных теплооменников системы двигателя внешнего сгорания, то выбор, в данном примере, в качестве регенераторатепловой трубки, является целью получения более высокого КПД двигателя за счет снижения аэродинамического сопротивления и "задержки" рабочего тела при движении по его трубчатому теплообменнику в сравнении с регенератором из пористого материала двигателей Стирлинга, а также за счет дополнительного нагрева корпуса двигателя теплом, поступающим по регенератору в зону В, показанную на фиг.1 Б,Естественно, что в предложенном ротоном двигателе возможно применение и других типов трубчатых теплообменников.Рабочий обьем предложенного ротор- ного двигателя, который заполняется рабочи 1 ч телом, например гелием при среднем давлении 10-20 МПа, включает обьемы рабоИей камеры Ч 1 и Ч 2, объемы охладителя и соединяющих их металлических трубок, располагаемых в регенераторе и нагревателе.Перед описанием работы предложенного роторного двигателя, с целью более четкого понимания особенностей его коНструкции, рассмотрим пример конструктивного решения корпуса этого устройства и дходящих в него основных деталей, а также графическим методом проанализируем соотношения размеров отдельных конструктивных величин, влияющих на параметры двигателя и выберем примерный, оптимальный вариант основных конструктивных соотношений радиальных размеров койхоидной рабочей камеры и ротора в отноСительных величинах.На фиг.2 А, Б, В, Г - показаны взаимосвязи ряда деталей роторного двигателя, где в корпусе 1 размещен эксцентриковый вал 2 с эксцентриком 3, на котором посредстом подшипника 4 установлен ротор 5, на торцовой стороне которого жестко укрепленашестерня 6, имеющая внутреннее зацепление, и связанная с шестерней 8, имеющей внЕшнее зацепление и неподвижно укрепленной на крышке 7 корпуса двигателя, внутри шестерни 8 установлен подшипник 9, закрепленный кольцом 10, на валу 2 укреплен маховик-противовес 11,С другой стороны корпус 1 закрыт крышкой 12, в которой установлен подшипник 13, закрепленный кольцом 14, на валу 2 укреплен второй маховик-противовес 15. На фиг,2 А и фиг.2 Б изображено впускное окно 16, а на фиг,2 Б - изображено выпускное окно 17, выполненное в корпусе 1, основание двигателя 18. На фиг.2 А, 2 Б и 2 Г показа 1 ь выемки 21 и 21, 22 и 22, выполненные на торцовых поверхностях ротора симметрично относительно оси эксцентрика, и предназначенные для пропуска рабочего 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 тела (при работе двигателя) из полости Ч 2, показанной на 2 Б,через выпускное окно 17, зону А регенераора 24, охладитель 23, зону Б регенератора 24, нагреватель 25, впускное окно 16, при этом, если ротор 5 повернется на эксцентрике 3 и вал 2 таким образом, что выемка 22, или 21 расположится над впускным окном 16, то через него в полость расширения Ч 1 - начнет поступать нагретое рабочее тело, работу которого при его расширении рассмотрим ниже на фиг.4 и для предотвращения образования осевого давления на роторе, его торцовые поверхности связаны сквозными каналами 26, расположенными симметрично оси эксцентрика 3; на фиг.2 Г показаны уплотнения, установленные на роторе 5, включающие радиальные пластины 27, 28 и 30 и торцовые уплотнения 29 с сухариками 31.На фиг.ЗА изоражены основные детали предложенного роторного двигателя, размещенные для наглядности, вдоль вала 2, где: корпус 1, эксцентрик 3, подшипник 4, ротор 5,шестерня 6 с внутренним зацеплением, жестко закрепляемая на роторе 5 крышка 7 с впускным окном 16, устанавливаемая на корпусе 1, шестерня 8 с внешним за 1 еплением, жестко укрепляемая на крьш- ке 7, подшипник 9, кольцо 10 для коепления подшипника 9, маховик-противовес 11, крышка 12, подшипник 13, кольцо 14, маховик-противовес 15; отношение числа зубьев шестерен 8 и 6 равно 1:2.Выбор Формь боковой (радиальной) поверхности рабочей камеры корпуса двигателя проверен ниже на основании анализа ряда конхоидных поверхностей. На фиг,ЗБ изображены три конхоиды. у которых основная окружность имеет диаметр а с центром в точке 0 и полюсом в точке О, где радиус- вектор конхоиды г равен 1, а конхоид в и б - соответственно меньше, при этом; 1- для конхоиды г отношение - =3а(штрихпунктирная линия),- для конхоиды б отношение - =1,5 (пун 1актирная линия).Анализ форм конхоид, приведенных на1фиг.ЗБ, показывает, что при -2 конхоидааимеет овальную форму, что предпочтительно для рабочей камеры двигателя с цельюупрощения технологии ее изготовления,Для конхоиды, изображенной нафиг.ЗБ г, отношение - =3, при этом, отноше- ание ее наибольшего размера - диаметра по горизонтали, параллельной линии 1-1, к наибольшему диаметру по вертикали, равному расстоянию между вершинами конхоиды г на линии 4-4, составляет 1,06, что близко к окружности; для наглядности на фиг.ЗБ показана в сравнении окружность - ОК, и конхоида - КОН.Кроме того, на фиг,ЗБ линиями 1-1, 2-2, 3-3, 4-4, 5-5, 6-6, проходящими через полюс 01 и основную окружность диаметром а с центром оси в точке О, показаны для примера, положения, которые будет занимать линия, соединяющая вершины ротора, двигателя при его вращени на эксцентрике вокруг оси 0 и точки пересечения с основной окружностью; линия 4-4 проходит через вершины конхоид,На фиг.ЗВ изображены детали фиг.2 Б, где для примера, изменено положение ротора 5 с вертикалью (фиг,2 Б) на горизонтальное, при этом видим, что форма конхоидной поверхности рабочей камеры выше линии Д-Д, и форма конхоидной поверхности радиальной поверхности ротора аналогичны, а зазор между этими поверхностями необходимо иметь минимальным, что должно быть выполнено при разработке конструкции, На фиг.ЗВ - наглядно видно расположение и примерные относительные размеры выемок 21 и 21, 22 и 22 .На примере фиг,4 и фиг.5 рассмотрим работу предложенного двигателя роторного внешнего сгорания в начальный период вращения ротора, На фиг,4 А изображены корпус 1, эксцентриковый вал 2, эксцентрик 3, регенератор 4, в котором, конец Л является испарителем, где расположены трубки 6, по которым горячее рабочее тело поступает через выпускное окно 9 из полости 2 в охладитель 5, и далее проходя по металличесским трубкам 7, расположенным в конце Б, которь 1 й является конденсатором регенератора 4, рабочее тело подвергается предварительному нагреву за счет тепла, полученного по регенератору от испарителя А, далее рабочее тело поступает в нагреватель 25 (изображенный на фиг,2 А), где происходит его нагрев за счет тепла при внешнем сгорании топлива в зоне нагревателя 25, из нагревателя, уже горячее рабочее тело поступает во впускное окно 8, расположенное в крышке корпуса, и при положении ротора 5, изобракенном на фиг.4 Б и фиг,4 В, горячее рабочее тело через вь 1 емку 10 поступает в полость расширения Ч 1.На фиг,4 Г, где выемка 10 при вращении ротора по часовой стрелке пройдет через впускное окно 8, при этом, ротор 5 своей 5 10 15 20 25 30 35 40 50 55 торцовой поверхностью с уплотнениями закроет выпускное окно 8, поступление рабочего тела в полость Ч 1 прекратится, но находящееся в этой полости поступившее через впускное окно из нагревателя горячее тело начнет расширяться, получая дополнительное тепло от нагретой части корпуса, прилегающей к этой полости, при этом, происходит повышение давления Р 1 рабочего тела в полости расширения Ч 1, что приводит к образованию момента вращения ротора 5 на эксцентрике 3 (фиг.4 Г) с учетом величины его эксцентриситета относительно оси вала 2; под воздействием давления Р 1, ротор 5 начнет поворачиваться по часовой стрелке, что показано на фиг,4 Г, фиг.5 Д, 5 Е, 5 Ж стрелкой давление Р 1 в полости Ч 1 - воздействует на ротор 5 при его повороте вокруг вала 2, примерно, на угол 90; при наличии маховика на валу 2 двигателя, ротор 5 прдолжит вращение за счет энергии, запасенной массой маховика.Процессу поступления рабочего тела из охладителя 5 в полость Ч 1 способствует разрежение в этой полости, возникающее при повороте ротора 5 вокруг вала 2, а также, повышение давления в полости охладителя за счет нагнетания в них рабочего тела, выталкиваемого ротором 5 из полости Ч 2 при его вращении по стрелке Ч,При рассмотрении образования начального момента вращения ротора на эксцентриковом валу, в качестве исходных может быть принято несколько положений ротора в рабочей камере двигателя.Выше мы рассмотрели случай, когда ротор уже начал вращение из исходного положения, показанного на фиг,4 А, получив импульс момента вращения на вал 2 от внешнего источника энергии,Рассмотрим второй случай, приняв для примера, что двигатель содержит два блока, установленные на общем основании и связанные одним эксцентриковым валом, при этом в первом блоке ротор установлен в положение показанное на фиг,4 А, а во втором блоке ротор находится в положении, показанном на фиг.5 Д,В исходном состоянии, когда корпуса блоков двигателя не нагреты от внешнего источника теплоты, давления во всех полостях обоих блоков одинаковы и равны, например, 10 МПа, величины моментов вращения на роторах отсутствуют, эксцентриковый вал двигателя не вращается,При нагреве корпусов обоих этих блоков показанных на фиг,4 А и фиг.5 Д, ротора которых связаны общим эксцентриковым валом, в замкнутой полости Ч 1 блока, изображенного на фиг.5 Д, при повышении тем 1795138 14пературы его корпуса, также произойдет повышение температуры рабочего тела в этой замкнутой полости, при этом, начнет возрастание давления Р 1 рабочего тела, находящегося в этой полости Ч 1, что приведет к 5 образованию момента вращения, создаваемого его ротором на эксцентриковом валу и началу поворота этого вала вокруг своей оси; при дальнейшем расширении обьема полости Ч 1 блока фиг,5 Д, поворот эксцент рикового вала будет продолжаться, как показано на фиг.5 Д, 5 Е, 5 Ж.Ротор второго блока проходя под давлением расширяющегося рабочего тела последовательно положения от фиг.4 Г, через 15 полокения фиг.5 Д, 5 Е до положения на фиг.5 Ж, повернется на оси вала, примерно, на 90 О, Так же на 90 повернется из положения, показанного на фиг.4 А, и ротор первого блока, заняв, при этом положение, соответ ствующее положению ротора на фиг,5 Д, таким образом, создается положение ротора в рабочей камере первогоо блока, аналогичное описанному выше для второго блока, Следовательно, вновь повторится цикл об разования момента вращения и поворота эксцентрикового (общего) вала двигателя от работы первого блока.Таким образом, описанный выше запуск двигателя роторного поршневого, со держащего два одинаковых блока, установленных на общем основании, связанных одним эксцентриковым валом с двумя роторами, сдвинутыми один относительно другого на 90 - является, по 35 существу, самозапуском этого двигателя, проходящем при одновременном нагреве корпусов обоих блоков;Анализ положения роторов и образования давления в рабочих полостях двигате ля, приведенных на фиг.4 и фиг.5, позволяет сделать вывод о том, что если соединить в один двигатель шесть таких блоков, но со сдвигом их роторов последовательно один от другого на 60, то при работе такого 45 шестиблочного (шестицилиндрового) двигателя в создании момента вращения на общем эксцентриковом валу, который является выходным валом двигателя, будет одновременно задействовано четыре блока, 50 что позволит обеспечить высокую равномерность и плавность момента вращения на его выходном валу. П р и м е р 2, В отличие от примера 1, в 55 двигателе по примеру 2 дополнительно введена вторая пара шестерен, предназначенная для усиления связи между ротором и второй крышкой двигателя, что позволяет увеличить длину ротора вдоль оси вала. при сохранении диаметра корпуса двигателя. а следовательно повышать его мощность.Кроме того, с целью ускорения запуска роторного двигателя и повышения его КПД предусмотрена воэможность нагрева его за счет теплоты рабочего тела, пропускаемого по каналам, выполненным в эксцентрике ротора двигателя. Реализация предложения по примеру 2 показана на фиг.6, 7, 8.Двигатель, изображенный на фиг.бА, Б, В включает следующие основные детали: корпус 1, эксцентриковый вал 2, эксцентрик 3, крышка 4, ротор 5, крышка 6, выпускное окно 7, металлические трубки 8, установленные в испарителе регенератора 9, по которым рабочее тело поступает в охладитель 10, а через его конец 10 рабочее тело по стрелке Ч поступает по металлическим трубкам 11 в конденсатор Б регенератора 9, далее по трубкам 12 нагревателя 13, через впускное окно 14, выполненное в крышке 6, выемку 15, выполненную в роторе 5 (если ротор 5 своей торцовой поверхностью открывает впускное окно 14) рабочее тело поступает в полость расширения 1; ротор 5 имеет четыре выемки 15, 16, 17 18; выпускное окно 7 двигателя по периметру 2 отличается от двигателя по примеру 1 тем, что выпускное окно 7 выполнено в крышке 6 двигателя. а не в его корпусе 1.На фиг,6 Г - показано подключение эксцентрика 3 к системе циркуляции рабочего тела в двигателе роторном, что рассмотрим ниже,На фиг.7 изображен в трех проекциях корпус двигателя роторного по примеру 2; основным его отличием от корпуса, ротор- ного двигателя по примеру 1 является введение второй пары шестерен для усиления связи ротора с корпусом, ротор 5 дополнительно снабжен шестерней 12, с внутренним зацеплением, равной по параметрам шестерне 6, таким образом,на обоих торцовых сторонах ротора 5 установлены равные шестерни 6 и 12, для связи с шестерней 12 на крышке 13 жестко установлена шестерня 14 с внешним зацеплением, равная по параметрам шестерне 8, жестко установленной в крышке 7, таким образом ротор 5 связан с корпусом двигателя посредством двух пар шестерен; выпускное окно 20, показанное на фиг,7 Б выполнено, как и впускное окно 19, также в крышке 7 двигателя.Расположение деталей на фиг.7 А в развернутом виде на валу 2 показано на фиг,ЯА,Рассмотрим возможность ускорения запуска двигателя по примеру 2. С целью ускорения разогрева двигателя при его пуске и повышения его КПД при работе, эксцентрик вала дополнительно снабжен полостл 179513840 50 55 ми-каналами, по которым пропускается нагретое рабочее тело (например: за счет давления в системе двигателя или за счетдавления рабочего тела, создаваемом отдельным компрессором). На фигбГ показано подключение эксцентрика 3 посредствомсоединительных трубок 20 и 21 к системе. циркуляции рабочего тела двигателя параллельно к трубкам 8, проходящим в испарителе А регенератора 9. На фиг,8 Б, В, Г, Дпоказана более детально схема выполненияи подключения каналов в эксцентрике двигателя,На фиг,8 Б и фиг,8 показано, для примера, выполнение в эксцентрике 4 одного канала 5 с каналами 9 и 9 в валу 3 двигателя,которые подключаются в систему циркуляции рабочего тела так, как показано нафиг.бГ.На фиг.ОГ изображен эксцентрик 4, установленный на валу 3 с системой циркуляции рабочего тела, где дпя наглядностидиаметры эксцентрика 4 и вала 3 увеличены,на фиг,8 Б показан эксцейтрик 4 в поперечном сечении, где размещены восемь каналов 5,5" и т,дизобракен коллектор 5 к, вап3, каналы 8 и 9.Система циркуляции рабочего тела поканалам, расположенным в теле эксцентрика, для примера, на фиг.8 Г включает; вал 3,эксцентрик 4, каналы 5 и 5, кольцевые кол 1лектора 5 к и 5 К, и связаннь 1 е с ними каналы8 и 9, расположенные в валу 3, обойма 10 сколлекторам 12, связанным с трубопроводом 11 и 13, канал 8 связан с трубопроводом7 и 17.Таким образом, если дополнительныйнагрев эксцентрика роторнога двигателяпредполагается осуществить за счет теплоты отходящего рабочего тела при ега пракачке через каналы эксцентрикапосредством использования перепада давления,тотрубопроводы 13 и 17, показанныена фиг,8 Г, включаются в систему циркуляции рабочего тела двигателя так, как показано на фиг,бГ включение соединительныхтрубок 20 и 21,Предлагается и второй вариант дополнительного подогрева эксцентрика нагретым телом, прокачиваемым через каналыэксцентрика посредством компрессора 16,с применением компенсатора 18 и нагревателя 14.Работа роторного двигателя по примеру2 с устройством перемещения рабочего телапо каналам в эксцентрике подобна работедвигателя по примеру 1, поэтому более подробно не описывается,П р и м е р 3, С целью обеспечениябольшей сбалансированности вращающих 5 10 15 20 30 35 ся масс и равномерности непрерывного вращения выходного вала на фиг.9 показан двигатель, включающий два одинаковых блока (двигателя) - блок Б 1 и блок Б 2, каждый из которых аналогичен двигателю, описанному в примере 1, при этом, блоки Б 1 и Б 2 установлены на одном основании, а их ротора связаны общим эксцентриковым валом и развернуты один относительно другого на 90 О,На фиг,9 А изображены блоки Б 1 и Б 2, каждый из которых содержит корпус 1, ротор 2, зксцентриковый вал 3, выемки 4 и 4, 5 и 5 , расположенные по обеим торцовым сторонам их роторов, выпускное окно 6, металлические трубки 7, расположенные в зоне испарителя А регенератора 8, охладитель 9, металлические трубки 10, размещенные в зоне конденсатора Б регенератара 8, впускное окно 11, выполненное в крышке корпуса каждого блока, полость расширения ч 1, полость сжатия Ч 2.На фиг.9 А-Б 2 изоражен двигатель Б 2, в котором эксцентрик расположен с поворотом на 180 относительно эксцентрика двигателя Б 1, а ротор повернут на 90 относительно ротора двигателя Б 2, Оба эксцентрика и ротора двигателей Б 1 и Б 2 связаны одним общим валом, На фиг.9 А-Д показано диаметральное расположение эксцентриков двигателей Б 1 и Б 2 на общем валу устройства,На фиг,9 А-Б-В-Г в левой колонке показано последовательно изменение положения ротора двигателя Б 1, а на фиг.9 А-Б-В-Г в правой колонке показано изменение положения ротора двигателя Б 2, при этом, угол между роторами и эксцентриками на фиг.9 Д в колонках по горизонтали (Б 1-Б 2) остаетсянеизменнымПроведем анализ образования на фиг.9суммарных сил в полостях И и Ч 2 блоков Б 1и Б 2 при повышении температуры в их нагревателях (например при сжигании топлива) и сгорания моментов вращения на общем эксцентриковом валу 3, положив в основу описание работы роторнаго двигателя в примере 1,Анализируя фиг.9 А видим, что давлениеР 1 возникает, при закрытом входном окне 11, в полости 1 блока Б 2, что показано на графике фиг,9 Е.Аналогично, на фиг.9 Б и 9 В силы давления Р 1 в полости И блока Б 2 продолжаютработу при расширении объема этой полости, при этом, суммарный момент вращения на валу 3 двигателя обусловлен работой блока Б 2; последовательное изменение положения эксцентриков блоков Б 1 и Б 2 показано на фиг,9 Д - по вертикали; натексту - блоки, показанные, для наглядности, развернутыми на общем эксцентриковом валу; каждый блок представляет часть 30 конструкций двигателя, рассмотренного в примере 1, что достаточно для пояснения отличительного признака в примере 4 и включает: корпус двигателя с ротором, эксцентриковым валом и основанием (без реге нератора, охладителя, нагревателя), На фиг,10 блоки 1, 2, 3 и 4 связаны одним эксцентриковым валом 1 и установлены на общем основании 2, рабочие полости в блоках обозначены соответственно 11, 12, 13, 13 40 14,14, впускные окна 5, выпускные окна 6, полюса конхоид рабочих камер и роторов 7.Особенностью данной конструкции являектся то, что полюса конхоид и роторов блоков 1 и 2; а также блоков 3 и 4 располо жен ы диаметрально и роти воположно оси вала 1, а линии, соединяющие вершины роторов блоков 1 и 2 являются параллельными, соответственно параллельны линии соединяющие вершины роторов блоков 3 и 50 4, однако между парами блоков эти параллЕльные линии являются перпендикулярными, например, линии между вершинами блоков 1 и 3,2 и 4,Анализ фиг.10 показывает, что вращаю щиеся массы блоков 1 и 2, а также 3 и 4 являются взаимно сбалансированными, а следовательно, сбалансированы вращающиеся массы и всего рассматриваемого устройства, состоящего из четырех фиг,9 Г показана работа блока Б 1 при давлении Р 1 - в его полости 11, при этом, процесс образования момента вращения вала 3 при работе блока Б 1 - аналогичен работе блока Б 2, что описано выше,Приведенный выше анализ работы двигателя с блоками Б 1 и Б 2, по примеру 3, показанный на фиг.9, позволяет сделать вывод о том, что суммарный момент вращения, создаваемый этими блоками на их общем эксцентриковом валу, в любой момент будет больше нуля, то есть на валу двигателя будет действовать момент вращения - непрерывно.Необходимо отметить, что при объединении в общее устройство на одном эксцентриковом валу и одном основании нескольких таких двигателей со смещенными по фазе роторами и эксцентриками, существенно упрощается сбалансированность вращающихся масс роторного двигателя,П р и м е р 4, С целью упрощения динамической балансировки вращающихся масс и повышения стабильности момента вращения выходного вала роторного двигателя, на фиг,10 изображено устройство, содержащее четыре блока 1, 2, 3, 4, далее по 5 10 15 20 25 одинаковых блоков, При увеличении на одном эксцентриковом валу количества таких блоков - сбалансированность двигателя будет повышаться.П р и м е р 5, С целью конструктивного обеспечения, в принципе, полной динамической сбалансированности роторного двигателя, на фиг,10 Б изображено устройство, состоящее из четырех одинаковых блоков Б 1, Б 2, БЗ, Б 4, каждый из которых подобен блоку роторного двигателя, описанного в примере 1, но без противовесов, все 4 блока установлены на общем основании 2 и связаны одним эксцентриковым валом 1, каждый блок включает корпус 3, ротор 4, впускное окно 5, выпускное окна 6, полюс конхоиды рабочей камеры 7. рабочие камеры обозначены 11, 12, 13, 14,Отличием устройства по примеру 5, где блоки, для наглядности, также развернуты на общем эксцентриковом валу, является то, что эксцентрики, ротора. полости 11 и 14 и полюса рабочих камер блоков Б 1 и Б 4 расположены диаметрально противоположно названным элементам в блоках Б 2 и БЗ, размещенным на эксцентриковом валу между блоками Б 1 и Б 4, а линии, соединяющие вершины роторов всех четырех блоков - параллельны,Анализ работы устройства, приведенного на фиг,10 Б, с учетом фиг,9, позволяет сделать вывод о том, что вращающиеся массы (ротора, эксцентрики и т.д.) блоков Б 1 и Б 4 в сумме будут равны вращающимся массам блоков Б 2 и БЗ, но создаваемые этими вращающимися массами центробежные силы будут направлены диаметрально противоположно относительно оси вращения вала нагрузки двигателя, и при равных вращающихся массах будут взаимно компенсироваться,Следовательно, двигатель, содержащий такие блоки, будет конструктивно сбалансированным,П р и м е р 6. В примерах 1-5 были рассмотрены двигатели роторные внешнего сгорания, в которых блок расширения имеет рабочую конхоидную камеру с ротором на эксцентриковом валу, корпус рабочей камеры нагревается поступающим в полость расширения горячим рабочим телом, а также теплом, создаваемым при внешнем сгорании топлива в нагревателе, охладитель в указанных примерах выполнен без ротора,В примере 6 показан двигатель роторный внешнего сгорания, в котором с целью ускорения наполнения рабочим телом полости расширения блока Б 1, введен второй