ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
THERMAL ENGINE

Изобретение относится к роторным тепловым двигателям.
Известны различные типы роторных тепловых двигателей. Роликово-поршневой двигатель внутреннего сгорания по патенту US 3324839, публикация 08.10.1965, содержит пары параллельных цилиндров и эксцентричных цилиндрических поршней с возможностью вращения планетарным образом, а между цилиндрами установлен ролик. Топливо впрыскивается в сжатый воздух в полости, которая образуется за счет вращения цилиндров поршней и ролика, и поджигается от свечи зажигания, совершая работу и обеспечивая вращение механизма.
В патенте FR 2410735, публикация 30.11,1977, описана конструкция роторного двигателя внутреннего сгорания, содержащего ротор с двумя лопатками и роликовый замыкатель, установленный в кармане корпуса. При вращении ротора обеспечивается сжатие воздуха и в образовавшуюся полость впрыскивается топливо, которое поджигается, совершая работу и обеспечивая вращение механизма.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению является конструкция роторного двигателя с внешним подводом рабочего тела по патенту GB-277532, публикация 4.12.1926, которая содержит, установленный в корпусе, свободно вращающийся ротор. Ротор связан с подвижными поршнями, которые установлены в карманах и вращаются вместе с ротором, посредством зубчатой передачи, обкатываясь по внутренней поверхности корпуса, образуя рабочие полости. В образующуюся полость подается рабочее тело, например сжатый газ, который и совершает работу.
При создании конструкции теплового роторного двигателя с внешним подводом теплоты по изобретению решена задача создания эффективного теплового двигателя с рациональными термодинамическими процессами, обеспечивающего минимальные потери на протечки рабочей среды и неадиабатность, а также минимальные габариты и вес.
Тепловой двигатель включает топку с теплообменником, блок сжатия и расширения, выполненный в корпусе. В цилиндрической полости корпуса установлен ротор, в карманах корпуса расположены, по меньшей мере, два роликовых замыкателя, связанных через синхронизатор с упомянутым ротором. Ротор снабжен, по меньшей мере, двумя лопастями, которые совместно с замыкателями образуют в корпусе полость сжатия и полость расширения. В корпусе выполнены соответствующие каналы для подвода и отвода рабочей среды к полости сжатия и соответствующие каналы подвода и отвода рабочей среды к полости расширения. При этом в входном канале полости расширения установлен золотник, также связанный через синхронизатор с ротором. Канал подвода рабочей среды полости сжатия и канал отвода рабочей среды полости расширения соединены с атмосферой, канал отвода рабочей среды полости сжатия через обратный клапан, установленный в канале, соединен с теплообменником, а выход теплообменника соединен с каналом ввода рабочей среды полости расширения.
Данный тепловой двигатель характеризуется тем, что в нем используется как кинетическая, так и потенциальная энергия рабочего тела, которым является газ, прошедший через теплообменник. Тепловая энергия передается от топки через теплообменник газу, который перед этим подвергается сжатию в полости сжатия. Затем нагретый газ поступает в полость расширения через золотник, где расширяется, производя работу, обеспечивая вращение ротора. Применение обратного клапана обеспечивает непрерывность и равномерность поступления газа в полость сжатия, что увеличивает удельную мощность двигателя. Золотник в конструкции двигателя позволяет эффективно использовать кинетическую и потенциальную энергию рабочего тела, осуществляя фазированный впуск газа и заданную степень его расширения.
В данной конструкции двигателя обеспечиваются минимальные веса и габариты, при минимальных потерях рабочего тела, надежном запирании между полостями сжатия и расширения. Кроме того, данный двигатель может обеспечить достаточно большие мощности.
В частном случае выполнения тепловой двигатель выполнен с четырьмя роликовыми замыкателями, а ротор снабжен тремя лопастями.
Кроме того, ось ротора и оси роликовых замыкателей выполнены параллельными. Помимо этого ротор и роликовые замыкатели установлены с возможностью обкатывания относительно друг друга, что обеспечивает минимальные потери в двигателе.
Синхронизатор двигателя может быть выполнен механическим, например, в виде набора зубчатых шестерен.
В частном случае золотник выполнен в виде вала с, по меньшей мере, одним поперечным газовым каналом.
Топка двигателя может быть выполнена с возможностью сжигания газообразного, жидкого или твердого топлива. Топка с теплообменником могут быть выполнены в виде единого блока или в виде раздельных устройств.
Изобретение поясняется чертежами.
На Фиг.1 приведена схема теплового роторного двигателя по изобретению.
На Фиг.2 приведен разрез блока сжатия расширения двигателя по оси вала, а на Фиг.3 - сечение по А-А.
На Фиг.4 приведена схема синхронизатора.
На Фиг.5 приведена схема работы двигателя для трех положений ротора и роликовых замыкателей.
Тепловой роторный двигатель (Фиг.1) включает топку 2 с теплообменником 3 и блок 1 сжатия и расширения, выполненный в корпусе 4. Блок 1 сжатия и расширения содержит полость 9 сжатия и полость 10 расширения. В цилиндрической полости корпуса 4 установлен ротор 5, в карманах корпуса расположены четыре роликовых замыкателя 6, связанных через синхронизатор 7 с ротором 5. Ротор 5 снабжен тремя лопастями 8, которые совместно с замыкателями 6 образуют в корпусе 4 полость 9 сжатия и полость 10 расширения. В корпусе 4 выполнены канал 11 для подвода рабочей среды и канал 12 отвода рабочей среды к полости 9 сжатия и канал 13 подвода рабочей среды и канал 14 отвода рабочей среды к полости 10 расширения. При этом в канале 13 подвода к полости 10 расширения установлен золотник 15, так же как и замыкатели 6, связанный через синхронизатор 7 с ротором 5. Канал 11 подвода рабочей среды к полости сжатия и канал 14 отвода рабочей среды от полости расширения соединены с атмосферой, канал 12 отвода рабочей среды полости 9 сжатия через обратный клапан 16, установленный в канале, соединен с теплообменником 3, а выход теплообменника 3 соединен с каналом 13 ввода рабочей среды полости 10 расширения.
В качестве пускового привода теплового двигателя для начального пуска теплового двигателя (на фигурах не показан) может использоваться практически любой двигатель: тепловой, электрический, пневматический.
В качестве топки 2 может использоваться любое топочное устройство на жидком, твердом или газообразном топливе. Тепло топки 2 подогревает рабочее тело в теплообменнике 3, который может быть выполнен на основе уже известных теплообменников. Топка 2 с теплообменником 3 могут образовывать общий блок (на фигурах не показан).
Синхронизатор 7 в данном примере выполнен в виде механического устройства и содержит (Фиг.2, Фиг.4) ведущее зубчатое колесо 19, закрепленное на оси ротора 5, обеспечивающее посредством зубчатых колес 20 синхронную работу роликовых замыкателей 6 и колес 21 и 22, обеспечивающих синхронную работу золотника 15. Роторные замыкатели 6 вращаются в три раза быстрее ротора 5, а золотник 15 вращается в полтора раза быстрее ротора 5. Это обеспечивает надлежащее протекание процессов сжатия и расширения.
Тепловой роторный двигатель работает следующим образом.
Наружный воздух поступает в полость сжатия 9, где сжимается и при достижении определенного значения давления обратный клапан 16 открывается и сжатый воздух поступает в теплообменник 3. Из теплообменника 3, через золотник 15, подогретый газ (рабочее тело) порциями поступает в полость 10 расширения, где расширяется совершая полезную работу. Золотник 15 выполняет важную функцию, осуществляя фазированный впуск газа в полость 10 расширения. Золотник 15 имеет симметричный профиль газового канала, что позволяет ему при двух открытиях за один оборот обеспечивать три цикла подачи газа на каждый оборот ротора 5. Профиль канала золотника 15 выбирается таким образом, чтобы фаза его открытия по углу поворота ротора 5 соответствовала заданной степени расширения газа. При расширении и совершении работы температура газа сильно понижается. Из полости 10 расширения газ вытесняется в выхлопную систему (атмосферу) следующей лопастью 8. Очередная лопасть 8 переходит из зоны расширения в зону сжатия через разделяющие эти зоны, полости 10 и 9, запорные ролики 6.
Наружный воздух, за счет разряжения возникающего за движущейся лопастью 8, засасывается через вход 11 в полость 9 сжатия. Следующая лопасть 8 отсекает поступивший газ от атмосферы и образует замкнутую полость 9 сжатия, ограниченную поверхностями ротора 5, неподвижного корпуса 4 и крышек 17, движущейся лопастью 8 и вращающимися роликовыми замыкателями 6. Обратный лепестковый клапан 16 открывается, когда давление сжимаемого газа превысит давление газа в теплообменнике 3, после чего происходит вытеснение сжатого газа в полость теплообменника 3. Лопасть 8, обеспечившая сжатие газа, через роликовые замыкатели 6 уходит в полость 10 расширения, а цикл сжатия повторяется со следующей лопастью 8. Для того чтобы переход лопастей 8 из полости 9 сжатия в полость 10 расширения сопровождался минимальными потерями на протечки, профиль выемок в роликовых замыкателях 6 имеет специальную геометрию, обеспечивающую минимальные зазоры.
Сжатие рабочего тела осуществляется следующим образом (Фиг.5а, б, в). В начале цикла сжатия блока сжатия расширения теплового двигателя ротор 5 с лопастями 8 занимает положение, показанное на Фиг.5а. Далее наружный воздух за счет разряжения, возникающего за движущейся лопастью 8 (Фиг.5б), засасывается через входной патрубок в полость 9 сжатия. Следующая лопасть 8 отсекает поступивший газ от атмосферы и образует замкнутую полость сжатия, ограниченную поверхностями ротора 5, неподвижного корпуса 4, крышками 17, движущейся лопастью 8 и вращающимися роликовыми замыкателями 6. Обратный лепестковый клапан 16, установленный на канале отвода 12, открывается, когда давление сжимаемого газа превысит давление газа в теплообменнике 3, после чего происходит вытеснение сжатого газа в полость теплообменника 3. Цикл расширения, происходящий в полости 10 расширения, происходит параллельно со сдвигом по фазе. На Фиг.5б в полость 10 расширения с помощью золотника 15 из теплообменника 3 поступает порция нагретого рабочего тела. Далее золотник 15 отсекает теплообменник 3 от полости 10 расширения. Благодаря этому газ расширяется и охлаждается. Работа, совершаемая в полости расширения, производится за счет внутренней энергии газа путем давления на лопасть 8 (Фиг.5в). Цикл сжатия и цикл расширения за время одного поворота ротора происходят три раза.
Данный роторный тепловой двигатель благодаря малым габаритам при достаточно высоких характеристиках по мощности может использоваться в самых различных отраслях, в частности на транспорте.