Роторная машина силовой установки с внешним подводом теплоты (варианты)
ROTARY MACHINE OF POWER PLANT WITH EXTERNAL SUPPLY OF HEAT (EMBODIMENTS)

Заявляемая группа изобретений относится к машинам с внешним подводом теплоты роторного типа и предназначена для использования в качестве главных и вспомогательных (стационарных и передвижных) силовых установок, в том числе в качестве двигателей для транспортных средств.
Наиболее близким к данному изобретению является роторный термодинамический преобразователь и тепловые двигатели на его основе по патенту РФ №2454546 от 2010-08-18. Его роторная машина состоит из: неподвижного корпуса, с выполненными в нем канавками, жестко посаженного на вал ротора, с выдвигающимися (задвигающимися) из его тела лопатками; 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 (ВУ), которое обеспечивает согласованное движение (выдвижение и задвигание) лопаток с углом поворота ротора. Двигатели с внешним подводом теплоты, составленные из одного или нескольких модулей (секций), на базе роторной машины с выдвигающимися лопатками, реализующих определенный такт цикла каждый, посаженных на один вал и соединенных соответственно элементами впускного-выпускного тракта, включающих трубопроводы и теплообменники. Комбинация модулей с подобранными параметрами и с определенными зонами нагрева и охлаждения, задает любой (замкнутый, открытый) термодинамический цикл работы двигателя, при последовательном (через каждый определенный модуль) прямоточно однонаправленном потоке рабочего тела. В соответствующем месте, в разрыве трубопроводов противонаправленных (относительно зон нагрева и охлаждения) потоков рабочего тела, может быть вставлен регенератор. Данные двигатели, из-за конструкции роторной машины, имеют ряд недостатков. При нахождении лопаток в зоне окон или перехода, происходит сквозное перетекание (транзитная утечка) рабочего тела через функциональную полость роторной машины, без преобразования энергии и с потерей КПД. Есть вероятность «отдачи» - изменения направления движения рабочего тела, на малых оборотах (малых скоростях рабочего тела), при нахождении лопаток в зонах перехода (прохождение перегородок между полостями). Это требует наличие дополнительных клапанных устройств, прерывающих поток рабочего тела и усиливающих его пульсацию, что ведет к зависимости от паразитных объемов и потере КПД, при повышении оборотов двигателя.
Известна схема Цвауэра (Zwiauer) (Уокер Г. У62 Машины, работающие по циклу Стирлинга. Пер. с англ.: - М.: Энергия, 1978 стр. 62.) построения двигателя с внешним подводом теплоты на базе роторной (ротационной) машины Ванкеля. На общем валу имеются две роторные машины типа Ванкель, а два регенератора располагаются симметрично, относительно продольной оси машины. Одна из ротационных 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 или расширения. Такты сжатия, расширения и такт вытеснения обусловлены смещением фаз вращения роторов секций. Таким образом, комбинация из этих двух машин приводит к трем отдельным системам, в каждой из которых осуществляется два полных цикла за один оборот вала. Предполагается, что такая компоновка сможет привести к компактному двигателю с высокой удельной мощностью. Недостатки данной схемы двигателя обусловлены движением рабочего тела по одному и тому же каналу в противоположных направлениях. Отсюда - отсутствует непрерывность движения рабочего тела, что заставляет его «пружинить», даже при однонаправленном движении. А это ведет к негативной зависимости от паразитных объемов, следовательно, и к ограничению размеров теплообменников (ограничению скорости теплообмена), что приводит к уменьшению КПД и вынуждает применять менее доступный гелий или проблематичный водород. Смещение фаз вращения роторов не позволяет реализовать точный цикл Стирлинга, а создает его подобие (псевдоцикл), с соответственной потерей КПД.
Заявляемый двигатель по первому варианту, как и известный, является комбинацией модулей (секций), на базе роторной машины с выдвигающимися лопатками, реализующих определенный такт цикла каждый, посаженных на один вал и соединенных, соответственно, элементами впускного-выпускного тракта, включающих трубопроводы и теплообменники, с подобранными параметрами и определенными зонами нагрева и охлаждения, что задает любой (замкнутый, открытый) термодинамический цикл работы двигателя при последовательном (через каждый определенный модуль) прямоточно-однонаправленном потоке рабочего тела. В соответствующем месте, в разрыве трубопроводов противонаправленных (относительно зон нагрева и охлаждения) потоков рабочего тела, может быть вставлен регенератор. Роторная машина, также содержит неподвижный корпус, с выполненными в нем канавками, жестко посаженный на вал ротор и выдвижное устройство (ВУ). Канавки с ободом ротора образуют функциональные полости, которые имеют впускные и выпускные окна. Ротор выполнен в виде колеса, внутри спиц (радиальных, тангенциальных) которого имеются каналы-направляющие, с расположенными в них лопатками. Выдвижное устройство (ВУ) обеспечивает выдвижение и задвигание лопаток.
Заявляемый двигатель по второму варианту, как и известный, является комбинацией модулей (секций), на базе роторной машины, реализующих определенный такт цикла каждый, посаженных на один вал и соединенных, соответственно, элементами впускного-выпускного тракта, включающих трубопроводы и теплообменники, с подобранными параметрами и определенными зонами нагрева и охлаждения, что задает любой (замкнутый, открытый) термодинамический цикл работы двигателя при последовательном (через каждый определенный модуль) прямоточно-однонаправленном потоке рабочего тела. В соответствующем месте, в разрыве трубопроводов противонаправленных (относительно зон нагрева и охлаждения) потоков рабочего тела, может быть вставлен регенератор. В качестве модуля (секции) для построения двигателя с внешним подводом теплоты используется роторная машина типа Ванкель.
Заявляемые двигатели с внешним подводом теплоты замкнутого цикла могут быть реализованы в качестве паровой машины, как двигатели, использующие газообразное рабочее тело (на всех стадиях цикла), и как двигатели, использующие смешанное двухкомпонентное рабочее тело (одно из которых меняет свою агрегатное состояние в течение цикла).
Задача, решаемая данным изобретением, заключается в создании более совершенной конструкции мощного, с высокими удельными характеристиками, экономного, компактного, надежного и экологически чистого двигателя с внешним подводом теплоты.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности в использовании энергии газов и, соответственно, КПД, повышение надежности, упрощение, увеличение удельной мощности, и уменьшение габаритов двигателя.
Данный технический результат достигается тем, что обод ротора выполнен с кольцеобразным выступом прямоугольной или полусферической формы (в поперечном сечении ротора), и соответствующей формой выдвигающегося торца лопаток и канавок корпуса. Канавки в зоне впускного и выпускного окон расширены в сторону переходов. ВУ содержит либо зубчато-кривошипно (возможно с неподвижным кривошипом)-рычажно-ползунный, либо пространственный зубчато-кривошипно (с косым кривошипом)-кулисно-рычажно-ползунный механизмы, которые обеспечивают способ выдвижения и задвигания лопаток, с возможным нахождением в разных частях (местах) одной и той же функциональной полости двух смежных лопаток. И могут иметь один или несколько вращающихся, или качающихся валов ВУ, проходящих через тело ротора. Участок (зона) функциональной полости между впускным и выпускным окнами выполнен такого размера, что позволяет в данных пределах, на противоположных его концах, находится одновременно двум смежным выдвинутым лопаткам, в определенный момент вращения ротора. Спицы ротора выполнены в виде коробов, закрытых от внутриободного пространства ротора, с внутренними каналами-направляющими для лопаток и выходом для лопаток только в функциональные полости. Лопатки имеют шарнирное соединение с элементами ВУ (толкателями) через легко уплотняемые штоки. Лопатки могут быть выполнены изогнутой (полусферической) формы, глухо закрепленными на маятниковом рычаге и прикрытые защитным кожухом.
Данный технический результат достигается тем, что двигатель с внешним подводом теплоты, составленный из нескольких модулей (секций), может быть построен на базе роторной машины Ванкеля. Данная роторная машина имеет две функциональные полости, с впускным и выпускным окнами каждая. Выполнение профильной стенки полости, соответствующего размера, между впускным и выпускным окнами, позволяет находиться на ней двум вершинам граней ротора в определенный момент его вращения.
Выполнение обода ротора с кольцеобразным выступом прямоугольной или полусферической формы (в поперечном сечении ротора), с соответствующей формой торцовых граней лопаток и углубления (форма канавок) в корпусе, обеспечивает более эффективное использование энергии газов за счет создания более надежного уплотнения лопаток и, соответственно, повышение КПД.
Выполнение канавок с расширением от зон впускного и выпускного окон в сторону переходов, исключает (ослабляет) контакт элементов уплотнения лопаток со стенками функциональной полости в данных зонах. Таким образом, становится короче полоса трения, уменьшается износ двигателя, а отсюда, повышение механического КПД, увеличение ресурса и надежности двигателя.
Выполнение ВУ, содержащего либо зубчато-кривошипно-ползунный (возможно с неподвижным кривошипом), либо пространственный зубчато-кривошипно (с косым кривошипом) кулисно-рычажно-ползунный механизмы, которые обеспечивают способ выдвижения и задвигания лопаток, с возможным нахождением в разных частях (местах) одной и той же функциональной полости двух смежных лопаток. ВУ могут иметь один или несколько вращающихся, или качающихся валов (ВУ), проходящих через тело ротора. Способ работы ВУ позволяет обеспечить процесс беспрерывного преобразования энергии газов во вращательное движение ротора, при более равномерном движении рабочего тела (значительно меньшие пульсации). ВУ имеет надежный привод с меньшими механическими потерями, что увеличивает механический КПД. Механизм, в варианте с неподвижным кривошипом, является очень простым и дешевым в производстве, упрощается конструкция и обслуживание двигателя. Наличие двух лопаток в одной функциональной полости увеличивает частоту рабочего хода при тех же оборотах, отсюда, соответственно, увеличивается мощность двигателя, крайне незначительно увеличив его габариты. Этим улучшаются его удельные характеристики.
Выполнение участка (зоны) функциональной полости между впускным и выпускным окнами соответствующего размера, позволяет в данных пределах, на противоположных его концах, находится одновременно двум смежным лопаткам в определенный момент вращения ротора. Это исключает сквозное перетекание рабочего тела через функциональную полость без воздействия на лопатки и, отсюда, нет необходимости иметь запирающие (клапанные) устройства, а также обеспечивается автозапуск двигателя без стартера (пускового устройства). Это повышает КПД, упрощает конструкцию, повышает надежность и удешевляет изготовление.
Выполнение спиц в виде коробов, закрытых от внутриободного пространства ротора, с внутренними каналами-направляющими для лопаток, с выходом их только в рабочие полости и имеющих шарнирное соединение с элементами ВУ (толкателями), через легко уплотняемые штоки, обеспечивает надежное уплотнение, исключает утечку рабочего тела, позволяет более полно использовать энергию газов и повысит КПД).
Выполнение лопаток изогнутыми, с постоянным радиусом кривизны, равным длине плеча соответствующего каждой лопатке маятникового рычага, и жестко с ним связанных, значительно уменьшает потери на трение лопатки в направляющих, повышая механический КПД. Также, этим обеспечивается более надежное уплотнение, что исключает утечку рабочего тела и ведет к повышению КПД.
Построение двигателя на базе роторной машины Ванкеля, имеющей две функциональные полости, с впускным и выпускным окнами каждая и выполнение профильной стенки полости, между впускным и выпускным окнами, соответствующего размера, позволяющего на ней находится двум вершинам граней ротора, в определенный момент его вращения, исключает сквозное перетекание рабочего тела и возможность им «пружинить». Отсюда более полно используется энергия рабочего тела, что ведет к повышению КПД. Также, применение в качестве базы, давно знакомую, отработанную и проверенную кинематику, позволит удешевить производство двигателя.
Таким образом, вышеперечисленная совокупность признаков изобретения, позволяет обеспечить новый технический результат - значительное повышение надежности, удельных характеристик и повышение эффективности использования энергии газов и, соответственно, КПД двигателя.
Изобретение поясняется с помощью чертежей, где на фиг. 1 представлен фрагмент общего вида двигателя в изометрии (составленного из двух роторных машин), с ВУ на базе зубчато-кривошипно-ползунного механизма с несколькими валами ВУ; на фиг. 2, фиг. 3 - схемы работы роторной машины с выдвигающимися лопатками; на фиг. 4 - схема роторной машины, с тангенциальным расположением спиц ротора и с ВУ на базе зубчато-кривошипно-ползунного механизма, с несколькими валами ВУ; на фиг. 5 - схема роторной машины, с ВУ на базе пространственного зубчато-кулисно-рычажно-ползунного механизма, с несколькими валами ВУ; на фиг. 6 - схема роторной машины с изогнутыми лопатками на маятниковом рычаге; на фиг. 7 - фрагмент общего вида в изометрии роторной машины, с приводом ВУ на базе зубчато-кривошипно-ползунного механизма, с одним валом ВУ, проходящим по геометрической оси ротора; на фиг. 8 - схема роторной машины на базе ВУ, с неподвижным кривошипом; на фиг. 9 - схема роторной машины с ВУ, на базе зубчато-кривошипно-ползунного механизма, с несколькими валами ВУ; на фиг. 10 - фрагмент общего вида, в изометрии, роторной машины с приводом ВУ, на базе пространственного зубчато-кулисно-рычажно-ползунного механизма с одним валом ВУ, проходящим по геометрической оси ротора; на фиг. 11 - схема роторной машины с ВУ, на базе пространственного зубчато-кулисно-рычажно-ползунного механизма с одним валом ВУ, проходящим по геометрической оси ротора; на фиг. 12 - фрагмент общего вида, в изометрии, роторной машины с приводом ВУ, на базе пространственного зубчато-кулисно-рычажно-ползунного механизма, с несколькими валами ВУ; на фиг. 13 - схема построения двигателя, реализующего цикл Стирлинга; на фиг. 14 - схема построения двигателя, реализующего укороченный замкнутый цикл; на фиг. 15 - схема построения двигателя со смешанным, двухкомпонентным рабочим телом; на фиг. 16 - схема построения двигателя, реализующего укороченный замкнутый цикл, с использованием в качестве модуля (секции) роторную машину Ванкеля, с двумя впускными и двумя выпускными окнами.
Роторная машина, с выдвигающимися лопатками и равномерным вращением главного элемента, для двигателя с внешним подводом теплоты (фиг. 1, 2, 3), содержит неподвижный корпус 1, представляющий полый цилиндр, который с торцов прикрыт крышками, ротор 2 (главный элемент), в виде посаженного на вал 3 колеса и имеющего n пластин-лопаток 4, расположенных во внутренних каналах-направляющих 5 спиц 6 (или в отдельном кожухе), выдвигающихся посредством выдвижного устройства (ВУ).
Основная часть корпуса 1 представляет собой полый, кольцеобразный цилиндр и на его внутренней поверхности выполнены канавки синусоидального профиля. Внутренняя ободная поверхность корпуса (канавки) и внешняя ободная поверхность ротора образуют функциональные полости 7, с впускными 8 и выпускными 9 окнами каждая. Функциональные полости отделены друг от друга зонами перехода (перегородками) 10. Верхняя и нижняя части корпуса являются, соответственно, верхней и нижней опорой цапф вала ротора и прикрывают с торцов основную часть корпуса. Ширина канавок в функциональных полостях, соответствует ширине лопаток. На профильной стенке 11 основной части корпуса 1, в начале рабочей полости 7, имеются впускные окна 8, а в конце - выпускные окна 9. Функциональные полости 7 состоят из рабочих участков (зон) 12, где наибольшее воздействие рабочего тела на лопатки (рабочий ход), или воздействие лопаток на рабочее тело (сжатие, вытеснение), и зоны впускных 13 и выпускных 14 окон. Канавки в зоне впускного 8 и выпускного 9 окна расширены в сторону переходов 10.
Ротор 2 представляет собой тело цилиндрической формы, в виде колеса с ободом 15, который имеет кольцеобразный выступ 16 прямоугольной или полусферической формы (в поперечном сечении ротора), с соответствующей формой торцовых граней лопаток 4 и формой канавок в корпусе 1. Радиально или тангенциально (фиг. 4) расположенные спицы 6 коробчатого типа, имеют внутри каналы-направляющие 5 для лопаток 4, полностью закрытые от внутриободного пространства, имеющие только отверстия для штока лопаток 17. На внешней ободной поверхности ротора 2 имеются отверстия 18 канала 5 для выхода лопатки 4 в функциональную полость 7.
Наличие щели 19 (фиг. 2, 3) между гранью опорной части лопатки 4 (часть лопатки, в определенный момент, находящейся в каналах - направляющих 5) и стенками канала с сообщением с функциональной полостью 7, на стороне с предполагаемым большим давлением рабочего тела, позволяет иметь одинаковое давление рабочего тела по всей площади грани лопатки, как на выдвинутую (в функциональную полость) часть лопатки, так и на опорную ее часть (находящуюся внаправляющих, в теле ротора). Тогда, с учетом большей длинны опорной части лопатки, чем у выдвинутой (даже при максимальном выдвижении) и при соблюдении определенного соотношении их площадей, моменты сил, действующие на эти части (относительно края направляющих на выходе из тела ротора), должны быть равны (а при неполном выдвижении момент силы на опорную часть всегда будет больше). Это обеспечивает более равномерное прижатие грани лопатки, прилегающей к антифрикционному вкладышу (не показано) в каналах-направляющих 5, уменьшая перекос лопатки 4 и ее неравномерный износ. Плотное прилегание лопатки 4 к противоположной от щели 19 стенке канала 5 препятствует перетеканию рабочего тела под лопаткой и может иметь элементы качения - ролики (не показано). Кроме того, исключается даже незначительное воздействие рабочего тела на лопатку в направлении выдвижения (одинаковое давление рабочего тела на выдвигаемый - фронтальный и противоположный торцы лопатки). Уплотнение осуществляется по всей торцевой грани лопатки 4. Лопатки 4 (фиг. 1) представляют собой прямоугольные пластины (или выдвигающаяся торцовая грань может быть профильной, как кольцеобразный выступ 16), возможно П-образной формы со штоком 17. Лопатки 4 равноудалены (равномерно разнесены) друг от друга по окружности ротора 2. Шток 17 с одной стороны подсоединен к перекладине лопатки 4, с другой - шарнирно соединен с элементами ВУ шатунами 20 (толкателями 21), возможно через ползуны 22, которые могут быть расположены на направляющих 23, как внутри (фиг. 5), так и вне (фиг. 1) спиц 6.
Изогнутые лопатки 24 (фиг. 6) выполнены с постоянным радиусом кривизны, равным длине плеча соответствующего каждой лопатке маятникового рычага 25, и жестко с ним связаны. Опора оси 26 маятникового рычага расположена на теле ротора. Маятниковый рычаг и его опора прикрыты защитным кожухом 27, изолирующим их от внутриободного пространства.
Выдвижное устройство (ВУ) предназначено для согласования движения лопаток 4 в рабочую полость 7, с углом поворота ротора 2, обеспечивая должное соприкосновение (прилегание) торца лопатки с элементами уплотнения к профильной поверхности стенки 11, а способ работы ВУ позволяет возможное нахождения смежных лопаток в одной рабочей полости. ВУ предусматривает несколько вариантов исполнения с учетом содержащего в его основе, либо зубчато-кривошипно(возможно с неподвижным кривошипом)-ползунного, либо пространственного зубчато-кривошипно-кулисного (с косым кривошипом, свободно входящим во втулку кулисы), рычажно-ползунного, механизмов.
Вариант исполнения ВУ, где в основе зубчато-кривошипно-ползунный механизм с валами (валом) ВУ 28 и с кривошипами 29, совершающими вращательное движение (фиг. 1, 7, 8, 9), валы ВУ 28 могут проходить как по геометрической оси ротора (тогда используется один вал ВУ), так и параллельно данной оси (используются несколько валов ВУ с индивидуальным подводом к каждой лопатке).
В первом случае используется один вал ВУ 28 с кривошипами 29 (фиг. 7), который проходит по геометрической оси ротора 2 и осуществляет только вращательное движение. Привод к зубчатому колесу 30 вала ВУ осуществляется через промежуточную шестерню 31, сидящую на роторе 2, от зубчатого венца кольца 32 корпуса 1, с соответствующим передаточным числом. Кривошипы 29, находящиеся внутри ротора 2, расположены друг за другом на разных уровнях и к каждому подсоединены по два шатуна 20, которые шарнирно подсоединены к штокам 17, противоположно расположенных лопаток 4. Такое выполнение ВУ возможно при n=2, n=3, или n=6к (где к=1, 2, 3,…) лопаток, равномерно разнесенных по окружности ротора. Тогда, при выдвижении лопатки 4 от одного кривошипа 29, одновременно будет задвигаться диаметрально расположенная лопатка, сидящая на том же кривошипе. При n=3, на кривошипе 29 будет по одному шатуну 20, связанному через шток 17 со своей лопаткой 4, а корпус 1 может иметь две функциональные полости (фиг. 9). Частный случай, когда корпус имеет одну функциональную полость 7 (фиг. 8), пропадает необходимость в приводе вала ВУ и он вырождается в ось 33, которая глухо закреплена на торцевой части корпуса и проходит по геометрической оси, сидящего на ней вращающегося ротора 2. Внутри ротора 2, на данной оси 33, расположен неподвижный кривошип 29, на шейке которого посажены шатуны 20 (показаны два), а те, соответственно, связаны со штоками 17 своих лопаток (показаны два). Выдвижение лопаток 4 обеспечивается вращением ротора 2 относительно неподвижного кривошипа 29. На шейке кривошипа 29 возможно иметь и большее количество шатунов 20 и лопаток 4 (более применимо для движителей).
Во втором случае, (фиг. 1, 4, 9) (несколько валов ВУ с кривошипами, проходящими параллельно оси ротора) зубчатое колесо 30 каждого вала ВУ, входит в зацепление с зубчатым венцом кольца 32 корпуса (с соответствующим передаточным числом), обкатываясь при вращении ротора. Тем самым придается вращающее движение валам ВУ 28 с кривошипами 29. Последние, через шатуны 20, могут быть соединены с ползунами 22 (на направляющих 23, расположенных на (в) спицах 6 ротора или вне их), к которым глухо прикреплены штоки 17 лопаток. При тангенциальном расположении спиц 6 ротора, (фиг. 4) шатуны 20 непосредственно соединены со штоками 17 лопаток, или тоже через ползуны 22. В этом случае, возможно выдвижение лопаток организовать не только в противофазе, а с любым нужным смещением. Это позволяет иметь не кратно двум, большее количество лопаток 4 в роторе 2, чем количество функциональных полостей 7 (фиг. 9) (к примеру: ротор с тремя лопатками и корпус с двумя функциональными полостями). И даже иметь в одной функциональной полости 7, в процессе выдвижения, более двух лопаток 4 одновременно, и (или) неравномерное распределение лопаток по окружности ротора (более применимо для движителей). Также для двигателей, составленных из нескольких секций, возможно смещение движения лопаток 4 в различных секциях.
Вариант исполнения ВУ, где в основе пространственный зубчато-кривошипно(косой)-кулисно-рычажно-ползунный механизм, вал (валы) ВУ с рычагами совершает качающее (возвратно-вращающее) движение и также может проходить через геометрическую ось ротора, или параллельно ей (несколько валов ВУ) (фиг. 5, 10, 11, 12). Данный вариант исполнения ВУ применим, когда ротор 2 имеет строго вдвое больше лопаток 4, чем есть функциональных полостей 7. А также содержит звенья для преобразования вращательного движения в такое качающее движение вала ВУ 28, которое должно обеспечить зеркальную симметрию траектории движения ползуна (лопатки) относительно мертвых точек (ниспадающая часть профильной стенки 11 полости зеркально симметрична восходящей), при противофазном движении смежных лопаток.
В случае (вал ВУ с рычагами проходит по геометрической оси ротора) (фиг. 10, 11), когда ВУ содержит следующие элементы - два косых кривошипа 34, обращенных к геометрической оси ротора и имеющих, каждый, зубчатые колеса (конические) 35, входящие в зацепление с зубчатым венцом кольца 32 корпуса, с соответственным передаточным числом. Штанга 36 косого кривошипа 34 свободно входит во втулку 37 кулисы 38, которая шарнирно (вертикальный шарнир) соединена с валом ВУ 28. Геометрическая ось штанги 36 пересекает ось шарнира кулисы 38 и ось вала ВУ 28. Эти звенья преобразования организуют движение выходного звена, по закону обеспечивающего зеркальную симметрию траектории относительно мертвых точек. На валу ВУ 28 глухо закреплены рычаги 39, расположенные на нескольких уровнях внутри ротора 2, где на каждом уровне они шарнирно соединены через толкатели 21 со штоками 17 не смежных лопаток 4. Рычаги 39 разных уровней смещены так, что позволяют, при вращении рычагов 39 вала ВУ в одну сторону, осуществлять одновременно (посредством толкателей 21 через штоки 17) выдвижение не смежных и задвигание смежных лопаток 4. При возвратном направлении вращения рычагов 39 и вала ВУ 28, порядок движения данных лопаток, меняется на противоположный. Т.е. качающее движение рычагов 39 (и вала ВУ) преобразуется в возвратно - поступательное, противофазное движение смежных лопаток 4. При этом согласно закону движения лопаток, имеем симметрию нисходящего и восходящего участков профильной поверхности стенки 11 корпуса функциональной полости 7.
В случае, когда (параллельно оси проходят несколько валов ВУ с рычагами) ВУ (фиг. 5, 12) для каждого вала 28 содержит те же элементы: косой кривошип 34 на оси с зубчатым колесом (коническим) 35, входящим в зацепление с зубчатым венцом кольца 32 корпуса, соответственным передаточным числом и кулиса 38. На валу ВУ 28, внутри ротора, глухо закреплено коромысло 40 (двухплечевой рычаг), к плечам которого шарнирно соединены толкатели 21 Толкатели шарнирно соединены с Г-образным штоками 17 смежных лопаток 4, между которыми размещено данное коромысло 40. Штоки 17 могут иметь ползуны 22 с направляющими 23, как снаружи, так и внутри спиц 6 ротора. Тогда качающее движение коромысла 40, глухо сидящего на валу ВУ 28, посредством толкателей 21 через штоки 17 преобразуется в возвратно-поступательное, противофазное движение смежных лопаток. Это позволяет от одного вала ВУ 28 иметь привод к двум смежным лопаткам 4 и обеспечивать движение последних синхронно и в противофазе. Тем самым можно иметь валов ВУ 28 вдвое меньше, чем лопаток 4.
В качестве привода ВУ возможен и любой другой механизм (рычажно-ползунного механизма с качающейся шайбой и т.д.), создающий такое качающее движение коромысла, которое обеспечивает такой же закон движения лопаток, как в выше описанном случае.
У ротора с изогнутыми лопатками 24 (фиг. 6), к оси 26 опоры 27 (выходящей из защитного кожуха, каждой лопатки 4) маятникового рычага 25, глухо закреплен рычаг привода 41, к которому шарнирно подсоединен шатун 20 или толкатель 21 выше описанных механизмов ВУ (показан зубчато-кривошипный, с исключением выходного звена - ползуна). Направленность кривизны лопатки, при необходимости, может быть в ту или иную сторону относительно вращения ротора.
Конструктивные особенности роторной машины с выдвигающимися лопатками позволяют иметь довольно значительные объемы полостей, при небольших общих габаритах. Так же обеспечивается, при минимальном диаметре ротора, максимальное значение опорной части лопаток при их полном выдвижении, и наибольшая величина этого выдвижения. Штоки 17 лопаток, могут быть прикрыты эластичными (гофрированными) втулками 42 (защита от масла). Внутриободное пространство ротора 2, в свою очередь, должно быть отделено (не показано) от, подверженного смазке, околоосевого пространства (где расположены элементы ВУ). В двигателе, где несколько секций на одном валу ротора, валы (вал) ВУ 28 проходят через тело роторов каждой секции. Данная роторная машина, с выдвигающимися лопатками, так же может использоваться и в качестве насоса или движителя.
Роторная машина типа Ванкель 43 (фиг. 16), используемая в качестве модуля (секции), при построении двигателей с внешним подводом теплоты, содержит ротор 44 (треугольник Рело без углублений), две функциональные полости 7 (где контакт с профильной поверхностью, в основном, имеют вершины граней ротора), имеющие по впускному 8 и выпускному 9 окну каждая. Профильная стенка полости между впускным и выпускным окнами, выполнена соответствующего размера, позволяющего там находиться одновременно двум вершинам граней в определенный момент вращения ротора.
Объем внутри обода данных роторных машин (представленных выше) может иметь избыточное давление, соизмеримое с давлением рабочего тело (даже, возможно, того же газа). Причем, это не создает силу, противодействующую движению элементам преобразования и, соответственно, не ведет к уменьшению КПД. Внутриободное избыточное давление, в значительной мере, препятствует прорыву газов из рабочей зоны внутрь ротора и позволяет усилить уплотнения в двигателе.
Порядок работы (фиг. 2, 3) роторной машины в качестве двигателя следующий: при вращении ротора 2 ВУ организует согласованное выдвижения лопаток 4 в функциональную полость 7 с углом поворота ротора, обеспечивая должное прилегание торца лопатки (с элементами уплотнения) к профильной поверхности стенки 11 функциональной полости, с возможностью нахождения смежных лопаток в одной и той же функциональной полости 7 одновременно. На (фиг. 2) показан случай, когда в функциональной полости 7 находится только одна лопатка 4 (первые по ходу вращения ротора), смежные (вторые) тогда прибывают в состоянии крайней задвинутости (в ВМТ или близком к нему), в зоне перехода 10 (перегородка между рабочими полостями). По мере вращения ротора и вторые (смежные) лопатки 4 попадают в одну и ту же функциональную полость 7. Первая лопатка 4, воспринимая давление рабочего тела, приводит во вращательное движение ротор 2. По мере вращения ротора 2, вторые (смежные) лопатки 4, в той же функциональной полости 7, начинают проходить зону 13 впускного окна 8. При дальнейшем вращении ротора 2, в момент (фиг 3) когда первая лопатка еще не вышла в зону 14 выпускного окна 9, вторая уже прошла зону 13 впускного и торцовой гранью контактирует с профильной стенкой рабочей зоны (полости) 12 функциональной полости 7. Поэтому рабочее тело будет изолировано в рабочей полости 12 двумя выдвинутыми смежными лопатками от зон впускного 13 и выпускного 14 окон на некоторое время (определенный момент), не допуская при этом сквозного перетекания рабочего тела через функциональную полость 7, без воздействия его на лопатку. Рабочая зона 12, расположенная в пределах между впускным 8 и выпускным окнами 9, выполнена таким образом (такого размера), что позволяет находиться там, на противоположных ее концах одновременно, двум смежным лопаткам 4 в определенный момент вращения ротора. Рабочая зона (полость) 12 может быть несколько продолжена в сторону как впускного 13, так и в сторону выпускного 14 окон (или в обе стороны), в соответствии с выбранным циклом, в той или иной секции (или во всех секциях). В дальнейшем первая лопатка, задвигаясь, переходит в зону 14 выпускного окна (тем самым позволяя передней грани второй лопатки выталкивать соответствующий объем рабочего тела в выпускное окно 9), а затем уходит в зону перехода 10. В последующем (пройдя переход) первая лопатка 4 уходит в следующую полость, по ходу движения, а в данную полость входит последующая лопатка 4, и процесс повторяется, обеспечивая равномерное вращательное движение главному рабочему элементу - ротору. При этом происходит непрерывное воздействие рабочего тела на лопатки (постоянный процесс преобразования энергии) и отсутствует возможность его сквозного перетекания через функциональную полость 7 без совершения работы. Таким образом, осуществляется процесс практически равномерного преобразования энергии газов в механическую и, при этом, будет однонаправлено-непрерывный, с практически постоянной скоростью, без существенных пульсаций (в установившимся режиме), поток рабочего тела в системе. Пульсация, возникающая за счет разницы выхода лопаток 4, в начале (конце) рабочей полости 12, от максимального вылета, незначительна. В представленной роторной машине отсутствуют положения, когда воздействие рабочего тела на элементы преобразования не приводят их в движение (мертвая точка), или приводят к вращению в противоположном направлении выбранному. При первоначальном пуске данной машины появление избыточного давления за задней (по ходу вращения) гранью лопатки 4, постоянно находящейся в рабочей зоне 12, заставит ротор 2 вращаться в нужную сторону без стартера (автозапуск). Все это позволяет, при постоянной величине подачи рабочего тела (в установившимся режиме), получить практически равномерный крутящий момент и отсутствует необходимость иметь клапанные или золотниковые устройства (последние нужны только для организации отсечки в некоторых вариантах построения двигателя). В зоне выпускного 14 окна канавки функциональной полости 7 могут иметь резкое расширение (не показано), что сразу исключит контакт элементов уплотнения (возможно апексов) лопаток со стенками полости. А в зоне впускного окна 13, в сторону перехода 10, идет постепенное расширение канавок для осуществления плавного контакта элементов уплотнения выдвигающейся лопатки со стенками канавок функциональной полости до рабочей зоны 12, где прижатие элементов уплотнения лопатки к стенкам уже будет с нужным усилием. Таким образом, становится короче полоса трения, а отсюда и меньшие механические потери.
Работа роторной машины типа Ванкель соответствует работе роторной машины с тремя выдвигающимися лопатками и содержащей две функциональные полости. В полости попеременно входят вершины граней (как выдвигающие лопатки), делящие данные полости (создающие переменные объемы). Задняя грань воспринимает давление рабочего тела, а передняя грань его выталкивает в выпускное окно. Таким образом, совершается шесть рабочих такта за один оборот ротора.
Построение двигателя как комбинации нескольких, размещенных на одном валу модулей (секций), с подобранными объемами полостей и расположением зон нагрева и охлаждения, на базе роторных машин, каждый из которых реализует определенный (заданный) такт цикла, позволяет задать любой (замкнутый, открытый) термодинамический цикл его работы, к примеру, Стирлинга, Эриксона и т.д. (с учетом параметров рабочего тела, конструкционных материалов, и используемого топлива). И ограничены только рациональностью и здравым смыслом, что показывает гибкость данной конструкции. Ниже представлены некоторые варианты схем построения двигателей с внешним подводом теплоты.
Двигатель с внешним подводом теплоты замкнутого цикла (фиг. 1, 13) составлен из, последовательно расположенных на одном валу, модулей (секций) Si (где i=1, 2…k.), при этом каждая представляет из себя данную роторную машину и, каждая из которых имеет N функциональных полостей определенного (условного) объема Vi. Двигатель состоит из двух четко разделенных частей. Одна - нагревается (горячая) Dh, а другая - охлаждается (холодная) Dc. Участки корпуса и ротора, принадлежащие к разным частям, теплоизолированы друг от друга. Основные элементы ВУ (зубчатый венец кольца 32 корпуса, зубчатые колеса 30, 35, кривой кривошип 34, кулиса 38 и т.д. (в зависимости от выбранного механизма), осуществляющие привод к валам ВУ 28, желательно располагать в «холодной» части двигателя, и они могут быть общими для всех секций двигателя. А вал (валы) ВУ 28 проходит(ят) по геометрической оси (или параллельно оси) через общий полый вал 3 роторов модулей (тело модулей) и «поэтажно» имеет(ют) кривошипы 29 или рычаги 39 с шатунами 20, или толкателями 21 лопаток (в зависимости от выбранного механизма). Этим обеспечивается согласованное выдвижение лопаток 4 всех секций - модулей. Выпускные окна 9 полостей одной секции (Si) последовательно соединены трубопроводами 45 с впускными окнами 8 другой Si+1 (последующей по циклу). А так как (при условии выдвижения смежных лопаток в противофазе) не имеет значения, из какой полости секции (Si) рабочее тело перейдет в конкретную полость следующей по циклу секции (Si+1), то можно (в соответственном месте согласно циклу) выходы одной секции и входы следующей свести в один, охватывающий двигатель, кольцевого типа коллектор. Данный коллектор можно использовать в качестве теплообменника, причем значительная площадь его поверхности будет этому способствовать. Для двигателя, с нечетным количеством лопаток и функциональных полостей (движение смежных лопаток не в противофазе), подвод трубопроводов идет только от и к полостям с синфазным движением лопаток (возможно незначительное смещение).
Подвод тепла к рабочему телу происходит в нагревателе Н от любого источника тепла (в представленном двигателе - горелки). Охлаждение рабочего тела осуществляется в холодильнике С посредством охлаждающей жидкости, с последующим отводом тепла через радиатор (Rd). Нагрев и охлаждение, также захватывают стенки модулей в соответствии с расположением последних в определенных зонах (частях) двигателя. В определенном месте (в соответствии с термодинамическим циклом), в разрез трубопроводов 45 противонаправленных потоков рабочего тела, вставлены вращающиеся вокруг своей оси дисковые регенераторы (регенератор) рабочего тела 46 (Rg1). Регенератор 46 в корпусе содержит диск 47, который имеет радиальное разделение его насадок 48 на секторы теплоизоляционными пластинами 49 (в поперечном разрезе - как цитрусовые). Трубопроводы 45 различных направлений (относительно зон нагрева и охлаждения), в разрез которых вставлен диск-кассета 47, чередуясь, последовательно разнесены с учетом направления вращения диска 47 с насадками 48 (причем на один диск могут подводиться трубопроводы от нескольких полостей, или от их общего коллектора). Смежные сектора с насадками 48 на диске 47, при вращении последнего, не должны находиться одновременно в створе трубопроводов с противонаправленными потоками рабочего тела (трубопроводы с противонаправленными потоками желательно размещать над диском так, что бы они располагались не менее чем через два сектора, друг от друга). Скорость вращения диска 47 регенератора 46, толщина и свойства материала насадок 48, должны быть согласованы со скоростью вращения ротора 2, с приводом 50 от двигателя (показанном на фиг. 1 или через ременный привод, посредством шкивов - не показано). Также регенератор 46 может иметь независимый привод, или комбинированный. Для более эффективного использования тепла рабочего тела служит и предварительный теплообменник НС, выравнивающий температуру отходящего и входящего потока рабочего тела. Однако значительно меньшая зависимость от паразитных объемов, может позволить вообще отказаться от дискового регенератора 46, заменив его теплообменником НС соответствующей длины и объема. Данный теплообменник представляет из себя блок, составленный из прилегающих друг к другу каналов (в поперечном сечении - в виде квадрата каждый) с общими стенками (продолженные кубоидные соты), из материала, имеющего высокий коэффициент теплопередачи. Противонаправленные потоки рабочего тела от разных отделов двигателя разнесены по каналам в шахматном порядке. Для регулировки мощности служит золотник Z, управляемый посредством штока и перепускной канал, соединяющий выпускной трубопровод секции S1 с впускным, или даже с впускным трубопроводом секции S4. Выдвигаясь, при регулировании, золотник отсекает часть потока рабочего тела выходящего из модуля холодного отдела и следующего в горячий, возвращая эту часть потока во входящий трубопровод данного модуля, или во входящий трубопровод первого модуля (S4) холодной части двигателя. Тем самым определяется количество рабочего тела, проходящего через зону нагрева, что и, соответственно, влияет на изменение мощности с высокой степенью реакции. Подвод воздуха к горелкам (для источников тепла, требующих кислород) может происходить посредством нагнетателя, через теплообменник, встроенного в противонаправленные каналы подвода воздуха и отвода отработанных газов. Такая обвязка позволяет максимально исключить (уменьшить) тепловые потери.
Классический цикл Стирлинга (фиг. 13) реализуется в двигателе, в котором на всех этапах цикла используется только газообразное рабочее тело с четырьмя переменными объемами и с использованием регенераторов. Каждая часть состоит из двух секций S. Соотношение условных объемов V полостей соответствующих секций Si (модулей), определяется V1=V2, V3=V4 и V1, V2 соответственно меньше V3, V4 (для данного цикла). Прохождение рабочего тела показано на схеме, а в рабочей полости описан выше (описание работы). В данном исполнении термодинамический цикл будет более полно соответствовать теоретическому циклу Стирлинга.
Если исключить секцию S2 меньшего объема в горячем отделе, имеющей условный объем полости V2 (фиг. 14), тогда получим двигатель, в котором реализован цикл работы, состоящий из изотермы, изобары и изохоры. Эффективность цикла в данном случае будет ниже цикла Стирлинга, но можно получить определенные преимущества. Во-первых, на один модуль будет меньше, что приведет к упрощению, уменьшению затрат на изготовление и повышению мех. КПД. Во-вторых (наиболее важное), в более напряженном месте, где имеют место значительные тепловые нагрузки, в секции с условным объемом полости V3 (больший объем в горячем отделе) - перед лопаткой и сразу за ней, будет область примерно равного давления. Отсюда будут значительно меньшие требования к уплотнениям. В-третьих, особенности роторной машины, в которой элемент преобразования - лопатка (хотя бы одна), постоянно находящаяся в рабочей зоне, позволяет осуществить запуск (автозапуск) двигателя только нагревом. Нагрев рабочего тела между условными объемами V2 (малый «горячий») и V3 (большой «горячий»), при первоначальном пуске двигателя, создаст избыточное давление между разновеликими лопатками, постоянно находящимися в рабочих зонах этих объемов (полостей). И движение определенно начнется в выбранном направлении, в сторону лопатки, имеющей большую площадь грани. Объем полости V4 (секция в холодном отделе) можно иметь и несколько больше объема полости V3 (секция в горячем отделе).
Возможное построение двигателей, использующие смешанное двухкомпонентное рабочее тело (фиг. 15). В данном случае рабочее тело включает две составляющие: одна постоянно пребывающая в цикле в газообразном состоянии - газовый носитель; другая, в течении цикла, изменяющая свое фазовое состояние. Газовая составляющая изначально находится при повышенном давлении и химически нейтральна ко второй компоненте. Данный двигатель состоит из трех секций S1, S3, S4 с условными объемами V1 (меньший) и равными V3, V4 (большими). Первая секция S1, с условным объемом V1, и третья S4, с условным объемом V4, являются насосами газовой компоненты, а вторая S3, с условным большим объемом V3 - машина расширения. Двухкомпонентное рабочее тело (в газообразном состоянии), пройдя после расширения регенератор 45 (Rg 1) и холодильник С, начинает разделяется и в конденсаторе - сепараторе Cs окончательно конденсируется и переходит в жидкость (компонента изменяющая агрегатное состояние), а газовая составляющая попадает в большую «холодную» секцию S4 (V4). В секции S4 происходит сжатие и транспортировка газовой составляющей в объем V1. На выходе секции S1, перед регенератором, или через открытый торец его обода, компоненты опять смешиваются, жидкообразная из конденсатора-сепаратора Cs подается к форсунке F и распыляется, а газовая составляющая позволяет создавать направленность потока и осуществляет перенос компоненты изменяющей фазовое состояние. Трубопровод 44 перед регенератором разделен на камеры таким образом, что сначала в первой камере (по чередованию прохождения насадки) происходит смешивание компонент. Пройдя регенератор 45 (Rg 1) жидкая составляющая опять становится газом (паром) и поступает через нагреватель в зону расширения в секцию S3 (V3). Форсунка Fa, расположенная в зоне нагрева, служит для максимально быстрого изменения - акселерации (увеличения) мощности. В итоге получается паровая машина с регенераторами, где газовая составляющая является постоянной компонентой замкнутого цикла. Построение двигателя по данной схеме, с использованием двухкомпонентного рабочего тела, позволяет получить при существующих уровнях среднего давления рабочего тела, почти кратное увеличение удельной мощности.
При построении парового двигателя данная роторная машина выполняет роль машины расширения прямоточного типа.
Построение двигателя с внешним подводом теплоты (фиг. 16) на базе роторной машины Ванкеля 43 может быть реализован в любой комбинации указанной выше. При этом необходим согласованный подвод трубопроводов 45 к впускным 13 и выпускным 14 окнам модулей, последующих по тактам, только от и к полостям с синфазным движением вершин граней ротора 44 (возможно незначительное смещение). Показана схема, где реализован цикл работы двигателя, состоящего из изотермы, изобары и изохоры. Двигатель содержит три модуля (секции) с условными объемами V1 (меньший) и равными V3, V4, посаженных на один вал. Данная роторная машина позволяет при построении двигателя использовать известную и уже отработанную конструкцию. При этом двигатель за один оборот ротора совершает 6 рабочих такта, что значительно улучшает удельные характеристики.
Как было указано выше, возможны и другие варианты построения двигателей при любой комбинации модулей с подобранными параметрами и определенными зонами нагрева и охлаждения для каждого, с заданным термодинамическим циклом работы. И в качестве модуля (секции) для построения двигателя, могут быть любые роторные машины (включая турбины) с однонаправленным вращением ротора и прямоточным однонаправленным движением рабочего тела. Причем, возможно в одном двигателе использовать в качестве модулей роторные машины различных типов.
Заявляемые двигатели более надежные, проще по конструкции, более технологичные, экономичные, с высокой удельной мощностью и КПД.
Список обозначений
1 - корпус; 2 - ротор; 3 - вал ротора; 4 - лопатки; 5 - каналы-направляющие (в спицах); 6 - спицы; 7 - функциональная полость; 8 - впускное окно; 9 - выпускное окно; 10 - зона перехода (перегородка); 11 - профильная стенка; 12 - рабочая зона (полость); 13 - зона впускного окна; 14 - зона выпускного окна; 15 - обод ротора; 16 - кольцеобразный выступ; 17 - шток; 18 - отверстие канала; 19 - щель в канале - направляющей; 20 - шатун; 21 - толкатель; 22 - ползуны; 23 - направляющие; 24 - изогнутые лопатки; 25 - маятниковый рычаг; 26 - ось маятникового рычага; 27 - кожух; 28 - вал ВУ; 29 - кривошип; 30 - зубчатое колесо вала ВУ; 31 - промежуточная шестерня; 32 - кольцо корпуса с зубчатым венцом; 33 - неподвижная ось с глухо закрепленным кривошипом; 34 - косой кривошип; 35 - коническое зубчатое колесо; 36 - штанга косого кривошипа; 37 - втулка кулисы; 38 - кулиса; 39 - рычаг вала ВУ; 40 - коромысло; 41 - рычаг привода изогнутой лопатки; 42 - защитные (гофрированные) втулки; 43 - роторная машина типа Ванкель; 44 - ротор (треугольник Рело); 45 - трубопровод; 46 - регенератор; 47 - диск-кассета; 48 - насадки; 49 - разделительные теплоизоляционные пластины; 50 - привод регенератора; Si - модуль (секция); Vi - условный объем; Dh - горячая часть двигателя; Dc -холодная часть двигателя; Н - нагреватель; С - холодильник; Rd - радиатор; НС - предварительный теплообменник; Z - золотник; F - форсунка; Fa - акселератор (форсунка).