РОТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ И ДВИГАТЕЛЬ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ С ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ROTARY POWER CONVERTER AND ICE THEREWITH

Заявляемая группа изобретений относится к тепловым машинам роторного типа и предназначена для использования в качестве стационарных и передвижных силовых установок различных машин, в том числе в качестве двигателей для транспортных средств.
Широко известен изобретенный в 1816 году двигатель внешнего сгорания Стирлинга, являющийся одним из самых конструктивно и технологически проработанных (не считая паровых турбин) двигателем внешнего сгорания. Известен также роторный двигатель Ванкеля, работающий по циклу Стирлинга. Однако основные модификации двигателя Стирлинга (альфа, бета, гамма) конструктивно сложны и громоздки, схема преобразования предполагает значительные потери механической энергии, малая удельная мощность и проблемы с герметизацией рабочего тела сдерживают широкое применение двигателя данного типа.
Наиболее близким является тепловой роторный двигатель (двигатель внешнего сгорания) по 4 независимому пункту формулы патента РФ на изобретение №2387850 от 31.01.2008 г. Двигатель состоит из неподвижного корпуса с выполненными в нем канавками, жестко посаженного на вал ротора, 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, представляющего собой четырехшарнирный механизм выдвижения и задвигания лопаток. Однако данный двигатель имеет недостаточно высокий механический КПД.
Заявляемый роторный термодинамический преобразователь энергии, как и известные, содержит неподвижный корпус, ротор, выполненный в виде колеса со спицами, имеющими каналы - направляющие для лопаток, и жестко посаженный на вал. В корпусе имеются канавки, образующие с ободом ротора рабочие полости, каждая из которых имеет впускное и выпускное окна. Вал ротора состоит из двух частей, жестко закрепленных на роторе и не проходящих через его тело. Одна из частей вала ротора выполнена полой и на ее фланце жестко закреплен суппорт, на котором расположены детали выдвижного устройства, включающего в себя четырехшарнирный механизм для выдвижения и задвигания лопаток. Свободно вращающийся вал выдвижного устройства установлен внутри ротора на его геометрической оси и имеет рычаги с толкателями, связанными с лопатками.
Заявляемый преобразователь может быть реализован как силовое устройство паровой машины и как двигатель, использующий газообразное рабочее тело на всех стадиях цикла. Во втором случае применен принцип пространственного разделения полостей, когда одни полости находятся и участвуют в теплообмене в зоне нагрева, а другие полости - в зоне охлаждения, что характерно для двигателей Стирлинга альфа-модификации.
Задача, решаемая данным изобретением, заключается в создании более совершенной конструкции мощного, экономного, компактного и экологически чистого двигателя внешнего сгорания.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности использовании энергии газов и, соответственно, КПД, повышение надежности и уменьшение габаритов двигателя. Техническим результатом изобретения является также увеличение удельной мощности двигателя.
Данный технический результат достигается тем, что выдвижное устройство содержит узел фиксации и управляемую втулочную муфту, имеющую на внутренней поверхности два кольцеобразных участка с прямыми и косыми шлицами, которыми она входит в зацепление с шестеренчато-кулачковой втулкой и втулкой коромысла четырехшарнирного механизма. На внешней поверхности управляемой втулочной муфты жестко закреплены толкатели втулочной муфты, входящие в зацепление с кулачком, расположенным на внутренней цилиндрической части суппорта. На нижней цилиндрической части суппорта свободно посажена ступица-кулачок, во внутренние пазы которой входит толкатель узла фиксации, внешняя сторона ступицы-кулачка выполнена с прямыми шлицами, которыми она входит в зацепление с зубчатым колесом кривошипа, обкатывающимся по внутренней стороне выполненного с зубчатым венцом кольца корпуса. Профиль каждой канавки в продольном сечении представляет собой разорванную двухпериодную синусоиду с участками постоянного радиуса.
Данный технический результат для двигателя, использующего на всех фазах цикла газообразное тело, достигается тем, что двигатель состоит из k секций, где k=3, 4, 5 …, каждая из которых представляет собой преобразователь по п.1 формулы, размещенных последовательно на одном валу и соединенных соответственно элементами впускного - выпускного тракта, включающих трубопроводы и теплообменники.
Регулирование мощности двигателя осуществляется посредством золотников и перепускных каналов, установленных между трактами выхода и входа полостей холодной секции. Для осуществления процесса регенерации двигатель может быть оснащен вращающимися кассетами барабанного типа с размещенными в их теле регенераторами, барабаны каждой кассеты вставлены в разрыв двух трубопроводов впускного - выпускного тракта, осуществляющих движение рабочего тела согласно циклу.
Выполнение преобразователя с выдвижным устройством, содержащим управляемую втулочную муфту, шестеренчато-кулачковую втулку, втулку коромысла четырехшарнирного механизма и узел фиксации, позволяет создать участки постоянного радиуса в центре полостей, при соответственном (максимальном) выдвижении лопаток. Тем самым увеличивается постоянная составляющая силы давления газов на лопатку, что ведет к увеличению удельной мощности.
Выполнение двигателя (использующего газообразное рабочее тело во всех фазах цикла) как комбинацию нескольких преобразователей в виде секций, размещенных на одном валу, но с разными, соответственно подобранными объемами полостей, позволяет задать термодинамический цикл его работы (с учетом параметров рабочего тела, конструкционных материалов, используемого топлива), осуществить однонаправленное движение рабочего тела, а также обеспечить надежную герметизацию полостей секций (вследствие отсутствия возвратно-поступательного движения), что обеспечивает его более высокую энергетическую и экономическую эффективность.
Оснащение двигателя вращающимися кассетами с регенераторами позволяет осуществить теплообмен с меньшими потерями, что улучшает энергетическую эффективность и увеличивает КПД двигателя.
Изобретение поясняется с помощью чертежей, где на фиг.1 представлена схема преобразователя, на фиг.2 - общий вид преобразователя, на фиг.3 - суппорт в разрезе с управляемой втулочной муфтой, на фиг.4 - элементы узла фиксации (УФ) со ступицей-кулачком, на фиг.5 - функциональная схема работы двигателя по п.2 формулы, составленного из модулей-преобразователей (цикл Стирлинга), фиг.6 - схема работы двигателя (цикл Стирлинга), на фиг. 7 - диаграмма (цикл Стирлинга), на фиг.8 - кассета-барабан с регенераторами (регенератор), на фиг.9 - ролик лопатки, на фиг.10 - схема работы двигателя (цикл Карно), на фиг.11 - диаграмма (цикл Карно), на фиг.12 - схема работы двигателя (смешанный цикл), на фиг.13 - диаграмма (смешанный цикл), на фиг.14 - схема устройства управления мощностью двигателя.
Преобразователь энергии рабочего тела во вращательное движение (фиг.1, 2, 3, 4) состоит из неподвижного корпуса 1 с выполненными в нем канавками 2, жестко посаженного на вал 3 ротора 4, суппорта 5 и выдвижного устройства 6. Ротор 4 выполнен в виде колеса со спицами 7, имеющими каналы - направляющие для лопаток 8, причем канавки 2 с ободом ротора 4 образуют полости 9, которые имеют впускные 10 и выпускные 11 окна. Неподвижный корпус 1 также состоит из трех частей, нижняя 12 и верхняя 13 части являются одновременно нижней и верхней опорой цапф вала 3 и прикрывают с торцов основную часть корпуса 1, представляющую собой полый кольцеобразный цилиндр. На его внутренней поверхности выполнены канавки 2, профиль которых в продольном сечении представляет собой разорванную двухпериодную синусоиду с участками постоянного радиуса, сведенными в окружность. Суппорт 5 жестко закреплен на фланце вала 3 ротора, на нем расположены детали и узлы выдвижного устройства 6, представляющего собой четырехшарнирный механизм выдвижения и задвигания лопаток 8.
Выдвижное устройство (ВУ) 6 (фиг.3) содержит узел фиксации (УФ) 14 и управляемую втулочную муфту 15. Управляемая втулочная муфта 15 имеет на внутренней поверхности два кольцеобразных участка: один - с прямыми шлицами; второй - с косыми, которыми она входит в зацепление с шестеренчато-кулачковой втулкой 16 и втулкой 17 коромысла 18 четырехшарнирного механизма. Управляемая втулочная муфта 15 имеет на внешней поверхности толкатели 19, которые входят в зацепление с кулачком 20 геометрического замыкания, расположенного на внутренней цилиндрической части суппорта 5 (пазы на внутренней цилиндрической части суппорта). В данном варианте исполнения втулочная муфта 15 имеет по три толкателя 19, разнесенных равномерно по окружности в двух плоскостях (с учетом того, что угол поворота коромысла 18 до 90 град. (или до четверти оборота)). На цилиндрической части (шейке) суппорта 5 (фиг.4) свободно сидит ступица-кулачок 21 узла фиксации, входящая в зацепление с зубчатым колесом 22 кривошипа 23, которое обкатывается по внутренней стороне кольца с зубчатым венцом 24 корпуса 1. В пазы 25 ступицы-кулачка 21 входят толкатели 26 узла фиксации 14.
Заявляемый преобразователь (фиг.1, фиг.3, фиг.4) и преобразователь, изложенный в п.4 патента РФ на изобретение №2387850, являются основами (модулями) для построения двигателей внешнего сгорания, использующих различные термодинамические циклы в своей работе. В двигателях, где предусмотрено изменение агрегатного состояния рабочего тела (паровая машина), вышеуказанные преобразователи являются исполнительной силовой частью (расширительной машиной) (фиг.1), которая, получив нагретое и уже газообразное рабочее тело из нагревателя (парогенератора), через впускные окна 10, имеющие золотники 27, направляет его в рабочую полость 9 и, преобразовав энергию, отсылает в конденсатор (холодильник, на фиг.1 не показан).
С учетом того, что поверхность полостей для теплообмена преобразователя может быть многократно больше, чем в системе цилиндр-поршень, при равной площади поверхностей, преобразующих давление рабочего тела, в заявляемых вариантах преобразователя и двигателей на их основе есть возможность отказаться от устройства предварительного изменения рабочего тела в газообразное агрегатное состояние (парогенератора). Для этого нужно осуществить нагрев стенок корпуса 1 и ротора 4 (нагрев со стороны ротора технически не сложен), а в начале полостей 9 установить форсунки (на схемах не показаны). В результате вращения ротора 4 лопатки 8 создают разрежение в полости 9 и через впускные окна 10, имеющие открытые клапаны (золотники 27), в нее поступают горячие газы - продукты нагрева стенок рабочих полостей. Форсунки в момент после прохождения их лопатками 8 подают (впрыскивают) жидкое рабочее тело в полости, при этом золотники 27 перекрывают впускные окна 10. В результате контакта с горячими стенками полостей и продуктами сгорания рабочее тело переходит в газообразное состояние и совершает тем самым работу по преобразованию энергии.
Двигатели, использующие на всех этапах цикла только газообразное рабочее тело (фиг.1, 5), составлены из последовательно расположенных на одном валу преобразователей (секций) Si (где i=1, 2…k), каждый из которых имеет N полостей. Количество секций - k, соотношение объемов их полостей 9, а также расположение зон нагрева и охлаждения определяют термодинамический цикл работы двигателя (Карно, Стирлинга и др.). Процессы, происходящие в одной из определенной секции Si, соответствуют только определенному такту цикла. Все такты цикла происходят одновременно в своих секциях S и за 1/N оборота двигателя. Ротор 4 двигателя может иметь общую ободную поверхность для нескольких секций Si. Участки ротора 4 в секциях с различными термическими условиями разделяются теплоизоляционным кольцом 28. Зоны нагрева и охлаждения корпуса 1 должны быть теплоизолированы друг от друга. Такие важные для двигателя значения величин, как объем рабочих полостей 9 и площадь поверхности лопатки 8, воспринимающие давление, а также их длина, определяют ширину конкретной секции. При этом не меняется общий диаметр корпуса 1, ротора 4 и всех параметров, связанных с ним (толщина полостей 9, вылет лопаток 8 и т.д.), поэтому они для всех секций одинаковы. Выпускные окна 11 полостей одной секции Si последовательно соединены трубопроводами 29 с впускными окнами 10 другой Si+1 последующей по циклу секции. Так как в сущности безразлично, из какой полости 9 одной секции Si рабочее тело перейдет в какую-то другую конкретную полость 9 последующей (по циклу) секции Si+1, можно все выходы одной секции и все входы последующей свести в единый коллектор 30 кольцевого типа, охватывающий двигатель. Тем самым можно уменьшить газодинамическое сопротивление. Между определенными секциями S коллектор 30 будет исполнять роль теплообменника, и значительная площадь его поверхности будет этому способствовать.
На фиг.5 и фиг.6, 7 представлены конструктивное исполнение и схема двигателя внешнего сгорания, реализующего цикл Стирлинга. Он состоит из двух отделов, один из которых подвергается нагреванию (горячий) - Dh, а другой охлаждению (холодный) - Dc. Каждый отдел включает в себя по две секции S с разным объемом полостей (большим и меньшим). Причем объемы V2 и V3 больших полостей секций горячего Dh и холодного Dc отделов и секций с меньшим объемом V1, V4 разных отделов равны соответственно между собой. Основным отличием двигателей Стирлинга есть наличие регенераторов. В заявляемом двигателе для осуществления процесса регенерации служит устройство (фиг.8), представляющее собой N кассет барабанного типа 31, посаженных свободно на ось 32, каждая из кассет вставлена в разрыв двух трубопроводов 29: одного - идущего от холодного отдела Dc к горячему Dh, другого - от горячего к холодному (движение рабочего тела согласно циклу). Кассеты 31 имеют вставки с веществом, осуществляющим процесс регенерации (регенератор 33), разделенные радиальными теплоизоляционными пластинами 34. Необходимая частота вращения барабана 31 достигается путем подбора зубчатых колес привода 35, входящих в зацепление с зубчатым венцом 36 на разделительном теплоизоляционном кольце 28. Трубопроводы 29 различных направлений, в разрез которых вставлена кассета 31, диаметрально (не строго) разнесены относительно ее оси. Вращаясь, кассета 31 переносит вставки регенераторов 33, находившихся в тракте, проводящем рабочее тело от холодного отдела Dc корпуса к горячему Dh, до тракта, проводящего рабочее тело от горячего Dh к холодному Dc, и наоборот одновременно. Поэтому вещество регенератора нагревается, охлаждая рабочее тело тракта направления горячий - холодный отдел, и охлаждается, нагревая рабочее тело тракта направления холодный - горячий отдел корпуса, так как в предыдущем такте соответствующие участки регенератора находились в разрыве трактов противоположного направления. Возможен подвод трубопроводов 29 таким образом, чтобы была возможность осуществить однонаправленное движение рабочего тела через регенератор в обоих направлениях. Барабан кассеты 31 также может выполнять функцию запирающего устройства (золотника). Теплоизоляционные пластины 34 позволяют ограничить участие в теплообмене того вещества регенератора, которое находится вне зоны отверстия трубопровода 29.
Положительная работа в данном двигателе совершается в процессе расширения рабочего тела в горячем отделе, под воздействием результирующей силы, образованной в зависимости от разности приведенных площадей (площадей, воспринимающих давление рабочего тела), выступающих частей валиков, соответствующих смежных секций. Отрицательная работа сжатия в холодном отделе, механические и газодинамические потери существенно меньше положительной.
Такое исполнение позволяет иметь избыточное давление внутри ротора, сопоставимое с рабочим давлением в полостях, тем самым обеспечивая надежное уплотнение рабочих полостей.
Двигатели, использующие на всех этапах цикла только газообразное рабочее тело, могут быть составлены по вышеизложенной системе также из последовательно расположенных на одном валу описанных в п.4 формулы патента РФ на изобретение №2387850, отличающихся от заявляемого по п.1 формулы данного изобретения конструкционным исполнением выдвижного устройства и профилем канавок. При выполнении двигателя с преобразователем по п.4 патента №2387850 в качестве ВУ используется четырехшарнирный (кривошипно-коромыслово)-рычажно-ползунный механизм.
При выполнении двигателя с преобразователем по п.1 формулы данной заявки с профилем канавок, представляющих собою разорванную двухпериодную синусоиду, сведенную в окружность, и с участком постоянного радиуса в центре полостей, в основе ВУ используется также четырехшарнирный механизм, шестеренчато-кулачковая втулка и узел фиксации (УФ), аналогичный узлу фиксации, описанному в 1 независимом пункте формулы патента РФ №2387850 (но половина узла, только для вала). Конструкция ВУ в данном случае включает (фиг.4) управляемую втулочную муфту 15. Втулка коромысла 17, входящая в зацепление со шлицами втулочной муфты 15, передает ей два вида движения (из-за косых шлицов) - осевое вертикальное перемещение и вращательное движение. Пока толкатели втулочной муфты 19 находятся в горизонтальной части пазов 20, муфта 15, как и втулка коромысла 17, совершает только вращательное движение. При подходе втулки коромысла 17 к определенной мертвой точке (МТ) (меньшие скорости и перемещения) толкатели втулочной муфты 19 входят в зону перехода осевого расположения пазов 20 на суппорте 5, и тем самым изменяется закон движения как самой втулочной муфты 15, так и шестеренчато-кулачковой втулки 16 (а отсюда и вала 37, см. фиг.3, ВУ выдвижения лопаток 8) относительно движения втулки коромысла 17. Появляется осевая составляющая движения втулочной муфты 15 и в дальнейшем (согласно профилю пазов 20 (кулачков)) она становится преобладающей, вплоть до момента, когда будет только ее осевое перемещение по прямым шлицам шестеренчато-кулачковой втулки 16, несмотря на еще продолжающее вращение втулки коромысла 17. Шестеренчато-кулачковая втулка 16 строго отслеживает и повторяет вращательное движение втулочной муфты 15, поэтому также становится неподвижной относительно суппорта 5. А с учетом реверсного движения от определенной МТ, таким образом, образуется пауза (выстой), необходимая для срабатывания узла фиксации.
Возможна конструкция двигателя и без использования втулочной муфты 15, т.е. без паузы. Тогда шестеренчато-кулачковая втулка будет выходным звеном четырехшарнирного механизма, а муфта узла фиксации (УФ) будет иметь зубья трапециевидной формы.
Как вариант, узел фиксации (УФ) можно упростить, исключив коромысло УФ 14. Тогда (фиг.4) зубчатое колесо 22 кривошипа 23, обкатываясь по внутренней стороне кольца 24 корпуса с зубчатым венцом, входит в зацепление с зубчатым венцом на внешней поверхности ступицы-кулачка 21, свободно сидящей на цилиндрической части (шейке) суппорта 5, вращая ее. Толкатели 26 УФ входят в зацепление в паз 25 соответствующего профиля (пространственный кулачок геометрического замыкания), расположенного на внутренней поверхности ступицы-кулачка 21 и задающего порядок работы УФ.
Для уменьшения трения в двигателе (фиг.9) в вершину лопатки 8 может быть устанавлен ролик 38 лопатки.
Возможно использование данной конструкции и в виде насоса, и в виде движителя. Посредством привода любого типа осуществляется вращение ротора, рабочее тело вследствие созданного разрежения рабочим органом (лопаткой), через впускное окно заполняет полость. А рабочее тело перед рабочим органом выдавливается из полости через выпускное окно, которое может быть оснащено клапаном. Такой насос (или движитель) имеет высокие удельные характеристики.
Описание некоторых возможных циклов работы двигателя
1. Цикл Стирлинга.
При использовании двигателя с четырьмя секциями необходимо иметь следующие отношения полостей (см. фиг.6, 7):
1
4
2
3
(V=V)>(V=V),
1
2
где V, V… объемы полостей секций горячего отдела Dh;
3
4
V, V… объемы полостей секций холодного отдела Dc.
Пусть в секции S4 холодного отдела Dc двигателя с малым объемом полости V4 (далее - объем Vk) находится охлажденное рабочее тело, которое при вращении ротора 4 лопатками 8 перегоняется через нагретый регенератор 43 (при этом нагреваясь, охлаждая последний) в горячий отдел Dh, в объем V1, равный исходному. В результате происходит повышение температуры и давления (изохора d-a). Далее, при вращении ротора 4 происходит перемещение рабочего тела в больший объем V2, где оно получает энергию от нагревателя - осуществляется изотермическое расширение (а-b), совершается работа против внешних сил (за счет разности приведенных площадей лопаток 8 объемов V1 и V2). Далее, из объема V2 рабочее тело, охлажденное в предыдущих тактах, проходит регенератор 33, нагревая его (при этом теряя энергию), и переходит в равный объем V3 секций холодного отдела Dc двигателя - температура и давление падает (изохора b-с). При дальнейшем перемещении в объем V4 рабочее тело подвергается охлаждению, происходит изотермическое сжатие (c-d), осуществляется отрицательная работа, и далее цикл повторяется.
Процессы, происходящие в других полостях одной и той же секции, аналогичны и синхронны.
2. Цикл Карно.
Для построения двигателя, работающего по циклу Карно (фиг.10, 11), необходимо иметь четыре секции с соответствующим образом подобранными соотношениями объемов их полостей, когда
V1<V4<V2<V3.
Нагреву подвергают секцию с объемом полостей V2, а охлаждению - секцию с объемом полостей V4 (далее объем Vk). Тогда при вращении ротора 4 рабочее тело из объема VI переходит в объем V2 с подводом тепла Q, где происходит изотермическое расширение (а-b), дальнейшее расширение без подвода тепла происходит в объеме V3 (адиабата b-с). При переходе рабочего тела в меньший объем V4 происходит его сжатие с отводом тепла Q (изотерма c-d), при дальнейшем сжатии в объеме V1 без отвода тепла происходит повышение температуры и давления (адиабата d-a), далее цикл повторяется.
3. Смешанный цикл.
Двигатель, работающий по данному циклу, должен иметь четыре секции с объемами полостей, имеющими следующее подобранное соотношение (фиг.12, 13):
(V4=V1)<V2<V3.
Подвод тепла осуществляется к секциям с объемами полостей V1, V2, охлаждение - к секции с объемом полостей V4. Тогда изотермическое сжатие происходит в объеме V4 (c-d), а при дальнейшем прохождении рабочего тела в объем V1, равный предыдущему, с подводом тепла Q осуществляется изохорический нагрев (d-а). В дальнейшем работа осуществляется по циклу Карно.
Возможны и другие варианты изготовления двигателя внешнего сгорания, работающего по иным циклам в зависимости от количества секций, от соотношения величин объемов их полостей, а также расположения зон нагрева и охлаждения, с использованием регенератора или без такового.
В последних из двух рассмотренных циклов регенераторы 33 не используются.
Регулирование мощности двигателя (фиг.14) возможно с помощью перепускных каналов 39, установленных между трактами выхода и входа полостей холодной секции и золотников 40. В среднем положении золотники 40 частично перекрывают тракт выхода полостей холодной секции, это положение соответствует установившемуся нормальному режиму работы двигателя. Тогда при более сильном выдвижении в тракт выхода золотника 40 все больше рабочего тела перегоняется из конца данных полостей в их начало и меньше попадает в полости, где осуществляется полезная работа - мощность падает. А при прикрывании золотника 40, вплоть до закрытия перепускного канала, мощность двигателя возрастает. Таким образом можно добиться изменения мощности в широком диапазоне с достаточно высокой скоростью реакции. Данное регулирование мощности может выполняться как самостоятельно, так и быть дополнением к уже традиционно существующей системе регулирования двигателей внешнего сгорания.
В данной заявке не рассматриваются системы обеспечения работы двигателя.