РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ

Техническое решение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано при создании двигателей с внешним подводом теплоты, работающих по принципу цикла Стирлинга.
Известен двигатель с внешним подводом теплоты (Авт. св. СССР №1086201, МКИ F02G 1/04, опублик. 15.04.84 г.). содержащий нагреватель, выполненный в виде камеры сгорания с теплообменником рабочего тела, охладитель рабочего тела, регенератор, цилиндр, в полости которого установлен поршень, выходной рабочий вал.
Эта модификация многоцилиндрового двигателя с внешним подводом теплоты имеет большие габариты и достаточно сложную конструкцию, требующую высокоточные технологии изготовления и сборки всех узлов, так как для эффективного рабочего процесса такого двигателя необходимо обеспечить точное взаимодействие штока каждого поршня с синусоидальными выступами шайбы, что достаточно сложно обеспечить технологически.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому по технической сущности является роторный двигатель с внешним подводом теплоты (Авт. св. СССР №1460383, МКИ F02G 1/04, опублик. 23.02.84 г.), нагреватель, выполненный в виде камеры сгорания с теплообменником рабочего тела, напротив которого установлен охладитель рабочего тела, регенератор, сообщенный и с теплообменником рабочего тела и с охладителем рабочего тела, которые оба сообщены с цилиндром, в полости которого установлен поршень-ротор и, как минимум, четыре пластины, разделяющие полость цилиндра на секторы и расположенные в радиальных пазах, выходной рабочий вал, связанный с поршнем-ротором.
Такой двигатель с внешним подводом теплоты имеет меньшие габариты, но достаточно сложную конструкцию. Для обеспечения рабочего процесса в таком двигателе необходимо также использовать высокоточные технологии изготовления и сборки, обеспечивающие точную динамическую балансировку поршня-ротора, эксцентрично установленного в цилиндре, и точный подвод рабочего тела в секторы полости цилиндра и отвод его из них, осуществляемый с его наружной цилиндрической поверхности. Кроме этого, расположение нагревателя рабочего тела и охладителя рабочего тела на наружной поверхности цилиндра приводит к возникновению деформации его стенок в процессе эксплуатации, которые снижают его ресурс.
Целью предлагаемого технического решения является создание более компактной, сбалансированной и технологичной конструкции роторного двигателя с внешним подводом теплоты, обеспечивающей повышение его ресурса.
Для достижения указанной цели в роторном двигателе с внешним подводом теплоты, содержащем нагреватель, выполненный в виде камеры сгорания, с теплообменником рабочего тела, напротив которого установлен охладитель рабочего тела, регенератор, сообщенный и с теплообменником рабочего тела и с охладителем рабочего тела, сообщенными с цилиндром, в полости которого установлен поршень-ротор и, как минимум, четыре пластины, разделяющие полость цилиндра на секторы и расположенные в радиальных пазах, выходной рабочий вал, связанный с поршнем-ротором, автор предлагает на поверхности зеркала цилиндра дополнительно выполнить, как минимум, четыре продольных паза, расположенные диаметрально противоположно относительно друг друга и параллельно оси цилиндра, радиальные пазы выполнить в обеих направляющих втулках, жестко связанных с цилиндром и установленных на его основаниях, при этом каждый радиальный паз направляющих втулок расположить напротив соответствующего ему продольного паза цилиндра, каждую пластину выполнить с П-образным вырезом и установить с возможностью
возвратно-поступательного перемещения по соответствующим ей продольному пазу поверхности зеркала цилиндра и радиальным пазам обеих направляющих втулок с возможностью взаимодействия своим П-образным вырезом с поршнем-ротором, размещенным концентрично цилиндру и выполненным с наклонными торцевыми поверхностями, нагреватель с теплообменником и охладитель рабочего тела расположить со сторон оснований цилиндра, регенератор выполнить в виде, как минимум, четырех секторов, при этом теплообменник и охладитель рабочего тела выполнить в виде набора, как минимум, четырех групп трубок, с образованием, как минимум, четырех замкнутых контуров, при этом в каждом замкнутом контуре группа трубок теплообменника рабочего тела сообщена с соответствующими ей сектором полости цилиндра и сектором регенератора, а группа трубок охладителя рабочего тела сообщена с последующими сектором полости цилиндра и сектором регенератора.
Автор предлагает наклонные торцевые поверхности поршня - ротора выполнить параллельно между собой с углом наклона 40°-45° к его оси.
Автор предлагает в цилиндре выполнить, как минимум, четыре дугообразных выемки и расположить их между продольными пазами концентрично относительно его оси и диаметрально противоположно друг другу.
Автор предлагает в каждой направляющей втулке выполнить, как минимум, четыре дугообразных паза, расположить их между радиальными пазами концентрично относительно ее оси и диаметрально противоположно друг другу.
Автор предлагает направляющие втулки и цилиндр установить относительно друг друга с возможностью стыковки дугообразных пазов обеих направляющих втулок между собой через соответствующие им дугообразные выемки цилиндра.
Автор предлагает каждый сектор регенератора расположить со стороны нагревателя и установить в дугообразном пазу направляющей и в дугообразной выемке цилиндра.
Автор предлагает каждую группу трубок охладителя рабочего тела расположить в дугообразном пазу другой направляющей втулки.
Предлагаемый роторный двигатель с внешним подводом теплоты имеет более технологичную конструкцию с плотной компоновкой узлов, которая сбалансирована, симметрична относительно оси цилиндра, и обеспечивает гарантированный и надежный подвод рабочего тела в секторы полости цилиндра и отвод его. Расположение нагревателя и охладителя рабочего тела со стороны оснований цилиндра позволяет снизить воздействие высоких температур на стенки цилиндра и, следовательно, значительно уменьшить их деформацию, и, тем самым, повысить ресурс двигателя.
Выполнение торцевых поверхностей поршня-ротора под наклоном 40°-45° создает оптимальные условия взаимодействия его с пластинами в процессе эксплуатации предлагаемого роторного двигателя с внешним подводом теплоты.
На фиг.1 представлена схема роторного двигателя с внешним подводом теплоты в разрезе, на фиг.2 - сечение А-А, на фиг.3 - сечение Б-Б, на фиг.4 изображен поршень - ротор, на фиг.5 изображен цилиндр, на фиг.6 изображена пластина, на фиг.7 - изображена направляющая втулка.
Роторный двигатель с внешним подводом теплоты содержит нагреватель, выполненный в виде камеры сгорания 1 с форсунками 2 и теплообменником рабочего тела, выполненный в виде набора, как минимум, четырех групп трубок 3, крышки 4 и 12, регенератор 5, направляющие втулки 6 и 11, как минимум, четыре пластины 7, цилиндр 8, поршень-ротор 9, охладитель рабочего тела, выполненный в виде набора, как минимум, четырех групп трубок 10, выходной рабочий вал 13. На поверхности зеркала цилиндра 8 выполнены, как минимум, четыре продольных паза 14,
расположенные диаметрально противоположно относительно друг друга и параллельно оси цилиндра 8. В направляющих втулках 6 и 11, жестко связанных с цилиндром 8, выполнены радиальные пазы 15. Каждый радиальный паз 15 расположен напротив соответствующего ему продольного паза 14 цилиндра 8. Каждая пластина 7 выполнена с П-образным вырезом 16 и установлена с возможностью возвратно-поступательного перемещения по соответствующим ей продольному 14 и радиальным пазам 15 направляющих втулок 6 и 11 с возможностью взаимодействия своим П-образным вырезом 16 с поршнем-ротором 9. Регенератор 5 выполнен в виде, как минимум, четырех секторов. Каждая группа трубок 3 и каждая группа трубок 10 теплообменника и охладителя рабочего тела образуют замкнутый контур. При этом в каждом таком замкнутом контуре группа трубок 3 теплообменника рабочего тела сообщается с соответствующим ей сектором горячей части полости цилиндра 8 и сектором регенератора 5, а группа трубок 10 охладителя рабочего тела сообщается с последующим сектором холодной части полости цилиндра 8 и сектором регенератора 5.
Торцевые поверхности поршня-ротора 9 выполнены наклонными и параллельными между собой с углом наклона 40°-45° к его оси.
В цилиндре 8 выполнены, как минимум, четыре дугообразных выемки 17, расположенные между продольными пазами 14 концентрично относительно его оси и диаметрально противоположно друг другу. Со стороны камеры сгорания 1 в дугообразных выемках цилиндра 8 установлены сектора регенератора 5, а с его противоположной стороны в дугообразных выемках расположены трубки 10 охладителя.
В направляющих втулках 6 и 11 выполнены, как минимум, четыре дугообразных паза 18, расположенные между радиальными пазами 15 концентрично относительно ее оси и диаметрально противоположно друг другу. В дугообразных пазах 18 направляющей втулки 6 установлены
сектора регенератора 5, а в дугообразных пазах 18 направляющей втулки 11 расположены трубки 10 охладителя.
Предлагаемый роторный двигатель с внешним подводом теплоты работает следующим образом.
При повышении температуры в нагревателе, выполненном в виде камеры сгорания 1 с форсунками 2, в группах трубок 3 теплообменника происходит нагрев рабочего тела - газа, в качестве которого возможно использование водорода или гелия или углекислого газа, и его расширение. Рабочее тело из групп трубок 3 теплообменника поступает в полость цилиндра 8. За счет разных объемов секторов цилиндра 8 происходит расширение рабочего тела в больших объемах и сжатие его в меньших. Таким образом, возникает импульс сил, который, воздействуя на наклонные торцевые поверхности поршня-ротора 9 и создавая крутящий момент, поворачивает поршень-ротор 9 от 0° до 180°. При этом вращающийся поршень-ротор 9, действуя на пластины 7 через П-образные вырезы 16, заставляет их перемещаются по продольным пазам 14 зеркала цилиндра 8 и по радиальным пазам 15 обеих направляющих втулок 6 и 11, поддерживая разделение объема полости цилиндра 8 на отдельные секторы в горячей и холодной его частях. При дальнейшем повороте поршня-ротора 9 от 180° до 360° происходит поочередное уменьшение или увеличение объемов в секторах горячей части полости цилиндра 8, и, следовательно, увеличение или уменьшение объемов в секторах холодной части полости цилиндра 8. Подвод рабочего тела из каждой группы трубок 3 теплообменника происходит в соответствующие им секторы горячей части полости цилиндра 8, а отвод рабочего тела из секторов холодной части полости цилиндра 8 по трубкам 10 охладителя происходит с отставанием, как минимум, на 90°. В процессе работы двигателя в каждом замкнутом контуре рабочее тело из групп трубок 10 охладителя постоянно вытесняется в регенератор 5 и поступает в группы трубки 3 теплообменника. Таким образом, в каждом замкнутом контуре в группе трубок 3 теплообменника происходит
постоянный нагрев рабочего тела, а его охлаждение происходит в группе трубок 10 охладителя. При этом поршень-ротор 9 вращается, обеспечивая вращение рабочего вала 13. В предлагаемом двигателе регенератор 5 может быть выполнен из пористого материала, например керамики или кремнеуглерода.
Таким образом, предлагаемая конструкция роторного двигателя с внешним подводом теплоты обеспечивает его эффективную эксплуатацию и длительный срок службы, технологична и компактна.