РОТОРНО-ШАРОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
ROTARY BALL-TYPE ENGINE

Изобретение относится к области энергетического и транспортного машиностроения, в частности к двигателям, работающим от сгорания различных видов топлива, или подачи любого рабочего тела, обеспечивающего давление на ротор при определенных процессах, а также работающим на возвратной энергии отработавших газов в определенном режиме.
Изобретение позволяет увеличить КПД двигателя за счет замены значительной площади трения скольжения на более эффективное трение качения и создания рабочей камеры сегментарного профиля, уменьшить износ движущихся деталей, повысить надежность работы двигателя и увеличить максимальное количество оборотов за счет ликвидации выступов, заслонок, пружин и различных элементов, управляющих ими. Рабочий ход ротора более трехсот угловых градусов, поэтому относительно равномерный нагрев корпуса ротора и шаров дает несомненные преимущества перед другими роторными двигателями и особенно перед роторно-поршневым двигателем Ванкеля.
Роторно-шаровый двигатель состоит из корпуса (статора) с внутренней выточкой по окружности, обеспечивающей плотный контакт с внешней поверхностью шара, находящегося в гнезде ротора с момента подачи рабочего тела до выхода отработавших газов. В корпусе по скользящей посадке вращается ротор с внутренней выточкой сегментного профиля по внешней окружности, обеспечивающей плотный контакт с поверхностью шара, находящегося в корпусе. В поперечном сечении каждая выточка представляет собой сегмент, хорда которого в местах контакта ротора с корпусом меньше диаметра шара выточки в корпусе и в роторе образуют камеру сегментарного профиля. По выточкам шары обкатываются внешней поверхностью до половины их диаметра.
Один шар располагается в гнезде ротора, глубина которого больше половины его диаметра, плотно контактируя с ним и с выточкой корпуса. Второй шар движется в камере подачи рабочего тела корпуса, плотно контактируя с его внутренней цилиндрической поверхностью в местах их соприкосновения. Ограничитель, в котором могут располагаться электромагнитные элементы, позволяет шару углубляться в корпус только до уровня максимальной глубины выточки в корпусе, обеспечивая беспрепятственную обкатку шаров в точке их общего столкновения. Такая система исключает заклинивание при любых ситуациях и, в первую очередь, при отказе в работе электромагнитных элементов.
Известны роторные двигатели, в корпусах или роторах которых имеются неподвижные выступы и подвижные заслонки различной конструкции, а также пружины и прижимные устройства.
Патенты:
US 5479887 A, 02.01.1996 г.
RU 2229610 C2, 27.05.2004 г. (прототип).
RU 2251007 C2, 27.04.2005 г.
US 6935300 B2, 30.08.2005 г.
Недостатком всех известных устройств является большая площадь трения скольжения между движущимися элементами, влияющая на ускорение срока износа деталей и уменьшение КПД двигателя. В момент соприкосновения выступа с заслонкой происходит динамический удар, а пружины уменьшают степень надежности работы двигателя и ограничивают максимальное количество оборотов.
Кроме того, у всех известных роторных двигателей рабочая камера в поперечном сечении имеет прямоугольную форму. Но не известны двигатели, имеющие рабочую камеру сегментарного профиля, образуемую шарами.
Целью настоящего изобретения являются увеличение КПД за счет создания рабочей камеры в наиболее эффективной форме сегментарного профиля, уменьшение площади трения скольжения заменой экономичным трением качения, а также увеличение надежности в эксплуатации и создание условий для более высоких оборотов.
Таким образом, роторно-шаровый двигатель, содержащий корпус, ротор и элементы, образующие рабочую камеру, отличается тем, что рабочая камера, имеющая сегментарную форму, образуется двумя шарами, движущимися по соответствующим выточкам в корпусе и в роторе двигателя, заменяя трение скольжения на более эффективное трение качения.
Выточки в корпусе и в роторе, по которым движутся шары, в поперечном сечении представляют собой сегменты, хорды которых меньше диаметра шаров, что исключает их диаметральное столкновение и заклинивание двигателя.
В корпусе и роторе может быть несколько соответствующих параллельных выточек, образующих рабочие камеры сегментарного профиля.
При отсутствии различных подвижных заслонок и пружин один шар постоянно находится в гнезде ротора и, плотно прижимаясь к внутренней сфере гнезда, обкатывается по выточке корпуса, а второй шар, находящийся в цилиндрической расточке корпуса, являющейся камерой подачи рабочего тела, прижимается к выточке ротора давлением рабочего тела с момента его подачи до выхода отработавших газов.
Шар корпуса при приближении шара ротора, одновременно с прекращением подачи рабочего тела, может втягиваться электромагнитными элементами в камеру подачи рабочего тела до ограничителя.
На чертеже изображен поперечный разрез одной секции предлагаемого роторно-шарового двигателя внешнего сгорания топлива. Секция состоит из неподвижного корпуса 1 с внутренней расточкой 3, обеспечивающей плотный контакт с шаром ротора по всей площади их соприкосновения.
В корпусе 1 имеется камера поступления рабочего тела 8 в виде радиальной цилиндрической расточки с диаметром, обеспечивающим плотный контакт с шаром 5 в местах их соприкосновения. Эта расточка может иметь закругленное сужение внизу, обеспечивающее дополнительную герметизацию для предотвращения утечки рабочего тела.
Корпус по всей внутренней окружности имеет выточку сегментного профиля, по которой плотно обкатывается шар, расположенный в гнезде ротора. Выточка 10 аналогичного профиля имеется в роторе по всей внешней стороне его окружности. По этой выточке плотно обкатывается шар, расположенный в корпусе.
После установки в корпус 1 ротора 2 их выточки 3 и 10 сегментного профиля, хорды которых меньше диаметров шаров, образуют камеру сегментарного профиля.
Двигатель работает следующим образом. При поступлении рабочего тела через канал 6 в камеру 8 шар 5 под давлением рабочего тела плотно прижимается к выточке ротора, отделяя рабочую камеру от камеры выхода отработавших газов, и рабочее тело под давлением по каналу 9 направляется в рабочую камеру 10. Шар ротора 11 под воздействием давления рабочего тела движется по выточке корпуса, обеспечивая вращение ротора, а соответственно, и вала 13.
При прохождении шара 11 отверстий 4 через них с помощью известных регулировочных устройств, не показанных на чертеже, происходит разовый или постепенный выход (выхлоп) отработавших газов. Часть из них может направляться в ресивер для последующего их использования в качестве возвратной энергии.
Одновременно с началом выхода отработавших газов канал 6 перекрывается и прекращается давление рабочего тела на шары. Под действием инерции шар 11 выталкивает шар 5 в камеру подачи рабочего тела 8 до ограничителя 7, и без особых усилий шар ротора проходит мертвую точку. Цикл повторяется.
Канал 6 может перекрываться известными устройствами под давлением отработавших газов при их выходе, а также шаром 5 при его вхождении в камеру подачи рабочего тела 8.
В момент сближения шаров шар 5 может втягиваться в камеру подачи рабочего тела 8 с помощью электромагнитных элементов, которые могут находиться в ограничителе 7. Поскольку электромагнитные элементы не являются обязательными, они не показаны на чертеже. В случае сбоя в работе электромагнитных элементов (при их наличии) происходит элементарное механическое воздействие выталкивания шара 5 шаром 11 в цилиндрическую расточку 8.
В корпусе двигателя, а соответственно и в роторе, может быть несколько параллельных выточек, образующих камеры сегментарного профиля, а с помощью шаров создаются рабочие камеры. При этом камеры могут сообщаться между собой в определенные моменты для перемещения рабочего тела из одной в другую с целью более полного сгорания топлива и увеличения КПД.
Изобретение может быть использовано как для передвижения любых транспортных средств, так и для выработки электроэнергии, бурения и других работ в различных хозяйственных областях.