РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
ROTARY ENGINE

Настоящее изобретение относится к машиностроению, в частности к роторным двигателям с внешним подводом теплоты, и может быть использовано в компрессорах, авто- и судостроении, в том числе и в подводных лодках, аппаратах энергетики, летательных аппаратах.
Из существующего уровня техники известны двигатели с внешним подводом теплоты, преимущественно работающие по циклу Стирлинга, с рабочим телом, находящимся под избыточным давлением, содержащие, по меньшей мере, один цилиндр, рабочий поршень и поршень - вытеснитель, разделяющий рабочий объем цилиндра на две камеры - горячую и холодную, сообщенные между собой через нагреватель, теплообменник и холодильник (см. описание изобретения к патенту RU 2075618, МПК F02G 1/04, опубликовано: 20.03.1997).
Указанные двигатели обладают рядом существенных недостатков, ограничивающих их применение, в первую очередь быстрым износом зубьев шестерен, без смазки.
Известен роликолопастной двигатель с внешним подводом теплоты, содержащий расположенные на валу, по меньшей мере, два рабочих цилиндра с разными рабочими объемами и роторами, соединенные между собой подводящими и отводящими трубопроводами, а также с нагревателем, охладительной системой и регенераторами (см. описание изобретения к патенту RU 2469203, МПК F02G 1/04, опубликовано: 10.12.2012).
Многочисленность роликов и их разные скорости усложняют работу двигателя. Перечисленные недостатки усложняют конструкцию двигателя, что препятствует его широкому применению на практике.
Известен роторный двигатель внешнего сгорания, одна секция которого содержит, по меньшей мере, один статор с торцевыми крышками, ротор, силовой вал, нагреватель, регенератор, холодильник, каналы, оборудованные клапанами, рабочую среду и устройство регулирования рабочей среды (см. описание изобретения к патенту RU 2208176, МПК F02G 1/04, опубликовано: 10.07.2003).
В этом двигателе все процессы происходят в одной секции, разделенной пластинами на части. В результате холодный газ в части «в» нагревается от соседних частей, через общие разделяющие пластины и корпус двигателя, что снижает КПД двигателя.
Известен двигатель внешнего сгорания, содержащий корпус, нагреватель и холодильник, сообщенные с камерой, в которой размещены рабочий вал и ротор с уплотнителями, причем последняя включает горячую и холодную камеры. (Смотри описание изобретения к патенту RU 2258824, МПК F02G 1/043, опубликовано: 20.08.2005).
В этом двигателе также горячая и холодная камеры расположены в одном корпусе. Их разделяет статор. Поэтому горячий газ будет охлаждаться, а холодный нагреваться через общие стенки корпуса и ротор, что также снизит КПД двигателя.
Известен роторный двигатель с внешним подводом теплоты, с рабочим телом, находящимся в нем под избыточным давлением, содержащий по крайней мере два рабочих цилиндра, например, с обкатывающимися по внутренней рабочей поверхности роторами, расположенными на одном эксцентриковом валу, и с разделительными пластинами, а также нагреватель, холодильник и теплообменник, при этом рабочие цилиндры выполнены с разными рабочими объемами, причем полость нагнетания компрессора соединена каналом с полостью расширения большого цилиндра через теплообменник и нагреватель, а полость расширения компрессора соединена каналом с полостью нагнетания большого цилиндра через теплообменник и охладитель (см.
описание изобретения к патенту RU 2255235 - прототип, МПК F02G 1/04, опубликовано: 27.06.2005).
Недостатком такой конструкции является то, что расположение роторов на одном эксцентриковом валу приведет к разрушению двигателя, а также технологически усложнит изготовление такого двигателя, что непосредственно повлияет на себестоимость.
Недостатком такого двигателя может быт также несоответствие качества материала разделительных пластин на износостойкость без смазки. Применение же смазки разделительных пластин и ротора будет недостаточным, что приведет к частой замене масла. При использовании маслоотделителей из-за того, что часто нагреваемые до высоких температур масляные пары и их охлаждение приведут к потере свойств масла, произойдет накопление нагара на теплообменниках, что приведет к низкому теплообмену без частых промывок внутренности в теплообменнике, а также технологически усложнит изготовление такого двигателя, что непосредственно повлияет на себестоимость.
Поэтому необходима конструкция двигателя, в рабочей среде которого не будут использоваться трущиеся детали и горюче-смазывающие материалы, и не будут использоваться возвратно-поступательные детали.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение является создание двухроторного двигателя с внешним подводом тепла, закрытого цикла без смазки рабочих деталей, кроме подшипников и синхронизирующих шестерен в отдельной герметичной камере. С поддерживанием в контуре двигателя избыточного давления воздуха, так как при меньших давлениях КПД в двигателе резко падает.
Данная задача решается за счет того, что заявленный роторный двигатель содержит цилиндрический корпус, холодильный аппарат и внешний теплообменный нагреватель, при этом
- корпус выполнен неподвижным, разделенным на две камеры с впускным и выпускными окнами, с двумя валами, посаженными на подшипники, при этом в каждой камере размещены два ротора, траектория вращения крайних точек лопастей ротора, не соприкасаясь, прилегает к внутренней стенке цилиндра;
- в корпусе компрессора и двигателя расположены по два ротора, параллельные друг другу, синхронизированные при помощи шестеренчатой передачи;
- двигатель выполнен с отдельными камерами сжатия и расширения;
- роторы расположены на двух валах, ведущем и ведомом, которые синхронизированы зубчатым зацеплением в отдельной герметичной камере;
- синхронизирующие шестерни выполнены прямозубыми, подшипниковые узлы установлены на валах с натягом;
- узлы межкамерных и торцевых уплотнений выполнены в лабиринтном исполнении.
Двигатель можно также применять:
- на летательных аппаратах для уменьшение веса валы двигателя установлены на подшипники скольжения;
- а в более мощных двигателях, где масса одного ротора составляет более 1 тонны, установлены дополнительные подшипники вала;
- как регенератор тепла теплообменник установлен на линии уходящих отработавших продуктов сгорания;
- изменяя число лопастей ротора, конструкторы могут регулировать мощность и КПД двигателя.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является создание двухроторного двигателя без трущихся деталей и без смазки, кроме подшипников и синхронизирующих шестерен, расположенных в масляной ванне в отдельной герметичной камере, с внешним подводом тепла, закрытого цикла для поддержания в контуре двигателя избыточного давления.
Изобретение направлено на упрощение конструкции, повышение надежности и удельной мощности двигателя. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
на Фиг. 1 - принципиальная схема роторного двигателя;
на Фиг. 2 - схема расположения деталей.
Роторный двигатель включает следующие детали:
1 - меньший цилиндр (компрессор),
2 - лопасти ротора компрессора,
3, 4 - подшипники вала роторов,
5 - большой цилиндр (двигатель),
6 - лопасти ротора двигателя,
7 - дроссельная заслонка,
8 - обратный клапан,
9 - холодильник,
10 - нагреватель, теплообменник,
11 - полость на входе меньшего цилиндра (компрессора),
12 - полость нагнетания,
13 - полость на входе большого цилиндра (двигателя),
14 - полость на выходе большого цилиндра (двигателя),
15, 16 - передняя и задняя крышки подшипников,
17 - межкамерная перегородка лабиринтным уплотнением,
18 - торцевая крышка камеры компрессора,
19 - торцевая крышка камеры двигателя,
20 - лабиринтный уплотнитель воздуха,
21, 22 - ведущая и ведомая синхронизирующая шестерня,
23, 24 - ведущий и ведомый валы,
25 - масляный сальник.
Роторный двигатель содержит двухкамерный цилиндрический корпус, холодильный аппарат и внешний теплообменный нагреватель, в котором теплообменная поверхность и камера сгорания объединены в едином корпусе. Двигатель выполнен таким образом, что четыре такта работы происходят в отдельных камерах:
- Сжатие происходит в меньшем цилиндре - компрессоре 1.
- Нагревание происходит в нагревательном теплообменнике 10.
- Расширение происходит в большом цилиндре - двигателе 5.
- Охлаждение происходит в холодильнике 9.
Роторы расположены на двух валах, ведущем и ведомом, которые синхронизированы зубчатым зацеплением в отдельной герметичной камере. При этом в камерах сжатия и расширения нет трущихся деталей, нет смазок и нет расхода смазывающего масла, отсутствует сжигание масла.
Синхронизирующие шестерни выполнены прямозубыми и подшипниковые узлы установлены на валы с гарантированным натягом, что обеспечивает дополнительную устойчивость к осевым сдвигам, долговечность двигателя зависит в основном от качества подшипников 3 и 4.
В двигателе отсутствуют детали, выполняющие возвратно-поступательные движения, у всех движущихся - крутящихся деталей оси совпадают с центром тяжести, что исключает вибрацию и шум.
Топливно-воздушная смесь горит при атмосферном давлении и поэтому отсутствует двуокись азота и другие вредные выбросы.
В двигателях, где масса одного ротора составляет более 1 тонны, установлены дополнительные подшипники вала.
Двигатель можно использовать как регенератор тепла, установив теплообменник 10 на линии уходящих отработавших продуктов сгорания.
Изменяя число лопастей ротора, конструкторы могут регулировать КПД двигателя.
Все подшипники смазываются способом разбрызгивания. Отсеки подшипников отделяются от рабочей камеры, а вал защищен системой лабиринтного уплотнения. Таким образом, полностью исключается попадание масла в сжимаемую среду. Это позволяет двигателю работать при более высоких температурах. В отсеках подшипников устанавливаются сферические окна для проверки количества масла. В пробках для слива масла устанавливаются магниты, которые притягивают металлические частицы, из-за чего удлиняется время замены масла до нескольких лет.
Для серийного выпуска двигателя не требуется больших вложений. Многие заводы выпускают двух-, трех- и многолопастные двухроторные воздуходувки в широком ассортименте. Надо сделать их двухкамерными, подобрать соответствующие по давлению и объему (Аппарат Воздушного Охлаждение Газа) АВО газа, для холодильника 9 и нагревателя 10, все - двигатель готов.
Работает двигатель следующим образом.
Корпус двигателя предварительно нагнетает воздух 0,4 МПа и воздух наполняет впадины между лопастями. При синхронном вращении в противоположных направлениях роторов 2 меньшего цилиндра 1 (компрессор), за счет синхронизирующих шестеренок 21 и 22, относительно их центров на подшипниках 3 и 4 происходит перенос воздуха из полости всасывания 11 (0,4 МПа) в полость нагнетания 12 (0,6 МПа), превращаясь в потенциальную энергию (ПЭ), и через нагреватель 10, где воздух нагревается до 150-400 градусов по Цельсию за счет внешнего источника тепла, превращаясь в кинетическую энергию (КЭ), через дроссель 7 поступает в полость 13, расширяясь, толкает лопасти роторов 6 большого цилиндра 5, совершая полезную работу. Лопасти ротора 2 находятся на одном валу с лопастями ротора 6, который в 1,75 раза длиннее лопастей ротора 2, что обеспечивает преодоление сопротивление компрессора и воздух поступает в полость 14. Падают давление (до 0,4 МПа) и температура (до 100°С.) Далее через холодильник 9 охлажденный воздух поступает в полость 11 и так по кругу.
Изобретение направлено на упрощение конструкции, повышение надежности и удельной мощности двигателя.
Энергосбережение достигается значительной экономией топлива за счет оптимальной работы на переменную нагрузку и использования вторичного тепла.
Экологичность заключается в минимальных уровнях шума, вибрации и вредных выбросов.