роторные двигатель и компрессор кашеварова рдк-10 и ркк-10

Формула изобретения

1. Роторный двигатель, содержащий цилиндрический статор, ротор, размещенный в нем с возможностью вращения и с образованием камер расширения, две камеры сгорания со свечами электрозажигания и две заслонки, установленные в статоре диаметрально противоположно его цилиндрической поверхности, отличающийся тем, что он снабжен дополнительными статорами с роторами, заслонками, камерами сгорания и расширения, а также паровыми камерами, направляющими для заслонок, устройствами перемещения заслонок в направляющих и выхлопными трубами, причем все роторы выполнены цилиндрическими с внутренними герметичными камерами, камеры сгорания расположены вне полостей статоров и вместе с паровыми камерами установлены по одну сторону направляющих заслонок, а выхлопные трубы - по другую сторону от них, при этом в выхлопных трубах установлены трубки, подключенные к насосу с возможностью нагнетания по ним воды под давлением и соединенные в началах выхлопных труб с патрубками, подсоединенными к паровым камерам в обход направляющих заслонок, а в камерах сгорания установлены патрубки с клапанами для подачи сжатого воздуха и природного газа.

2. Роторный компрессор для наддува двигателя по п.1, содержащий цилиндрический статор, размещенный в нем с возможностью вращения и с образованием камер сжатия ротор и две заслонки, установленные в статоре диаметрально противоположно относительно его цилиндрической поверхности, отличающийся тем, что он снабжен дополнительными статорами с роторами, заслонками и камерами сжатия, направляющими для заслонок и устройствами перемещения заслонок в направляющих, причем каждый ротор имеет цилиндрическую поверхность и внутренние камеры, выполненные с возможностью вентилирования, а каждый статор имеет воздухозаборные трубы и патрубки для сжатого воздуха или газа, установленные по обе стороны направляющих заслонок, и радиаторные выступы, установленные по образующим его цилиндрической поверхности.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен компрессором по п. 2, причем роторы двигателя и компрессора установлены на общем валу.

4. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что каждое устройство перемещения заслонки в направляющих выполнено в виде камеры, образованной внутренними сторонами образующих и торцевой поверхностью заслонки, патрубков, идущих от камер, расположенных в статоре по разные стороны от заслонки, и клапана, установленного с возможностью попеременного сообщения камеры между направляющими то с одним, то с другим из вышеупомянутых патрубков.

5. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что каждое устройство перемещения заслонки выполнено в виде двух коленчатых валов, установленных параллельно валу роторов в кронштейнах, закрепленных на статорах, и коромысла, шарнирно соединенного с коленами коленчатых валов и проходящего через муфту штока, жестко соединенного с торцом заслонки.

6. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что камеры сгорания и паровые камеры выполнены цилиндрическими, причем каждая паровая камера охватывает камеру сгорания, сообщена с ней выходными окнами, и их стенки соединены радиальными перегородками, каждая камера сгорания имеет окно, соединенное с камерой расширения, против окна расположены два ряда отверстий с возможностью поступления через них в камеру сгорания сжатого воздуха и природного газа, а между рядами этих отверстий установлены свечи электрозажигания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано при проектировании роторных машин широкого спектра действия.

РДК-10 и РКК-10 являются комплексным устройством.

В случае совместного использования РДК-10 с РКК-10 двигатель РДК-10 потребляет весь сжатый воздух, вырабатываемый РКК-10, а компрессор РКК-10 потребляет всю механическую энергию, вырабатываемую РДК-10, и поставляет сжатый воздух, необходимый для работы РДК-10.

РДК-10 может быть использован в двигателях для автомобилей, тракторов, тепловозов, электростанций, кораблей морского и речного флотов, самолетов, вертолетов и боевых машин.

Известен роторный двигатель, содержащий цилиндрический статор, ротор, размещенный в нем с возможностью вращения и с образованием камер расширения, две камеры сгорания со свечами электрозажигания и две заслонки, установленные в статоре диаметрально противоположно его цилиндрической поверхности.

Известен роторный компрессор для наддува роторного двигателя, содержащий цилиндрический статор, размещенный в нем с возможностью вращения и с образованием камер сжатия ротор и две заслонки, установленные в статоре диаметрально противоположно относительно его цилиндрической поверхности.

Недостатками этих машин, как роторного двигателя, так и роторного компрессора, являются сложная конструкция, невысокие КПД и удельная производительность.

Задачей изобретения является повышение КПД и удельной производительности при упрощении конструкции и снижении стоимости изготовления.

Поставленная задача решается за счет того, что роторный двигатель, содержащий цилиндрический статор, ротор, размещенный в нем с возможностью вращения и с образованием камер расширения, две камеры сгорания со свечами электрозажигания и две заслонки, установленные в статоре диаметрально противоположно его цилиндрической поверхности, снабжен дополнительными статорами с роторами, заслонками, камерами сгорания и расширения, а также паровыми камерами, направляющими для заслонок, устройствами перемещения заслонок в направляющих и выхлопными трубами, причем все роторы выполнены цилиндрическими с внутренними герметичными камерами, камеры сгорания расположены вне полостей статоров и вместе с паровыми камерами установлены по одну сторону направляющих заслонок, а выхлопные трубы - по другую сторону от них, при этом в выхлопных трубах установлены трубки, подключенные к насосу с возможностью нагнетания по ним воды под давлением и соединенные в началах выхлопных труб с патрубками, подсоединенными к паровым камерам в обход направляющих заслонок, а в камерах сгорания установлены патрубки с клапанами для подачи сжатого воздуха и природного газа.

Роторный компрессор для наддува описанного двигателя, содержащий цилиндрический статор, размещенный в нем с возможностью вращения и с образованием камер сжатия ротор и две заслонки, установленные в статоре диаметрально противоположно относительно его цилиндрической поверхности, снабжен дополнительными статорами с роторами, заслонками и камерами сжатия, направляющими для заслонок и устройствами перемещения заслонок в направляющих, причем каждый ротор имеет цилиндрическую поверхность и внутренние камеры, выполненные с возможностью вентилирования, а каждый статор имеет воздухозаборные трубы и патрубки для сжатого воздуха или газа, установленные по обе стороны направляющих заслонок, и радиаторные выступы, установленные по образующим его цилиндрической поверхности.

Кроме того, двигатель снабжен описанным компрессором, причем роторы двигателя и компрессора установлены на общем валу. При этом каждое устройство перемещения заслонки в направляющих может быть выполнено в виде камеры, образованной внутренними сторонами образующих и торцевой поверхностью заслонки, патрубков, идущих от камер, расположенных в статоре по разные стороны от заслонки, и клапана, установленного с возможностью попеременного сообщения камеры между направляющими то с одним, то с другим из вышеупомянутых патрубков.

Каждое устройство перемещения заслонки может быть выполнено в виде двух коленчатых валов, установленных параллельно валу роторов в кронштейнах, закрепленных на статорах, и коромысла, шарнирно соединенного с коленами коленчатых валов и проходящего через муфту штока, жестко соединенного с торцем заслонки.

Камеры сгорания и паровые камеры выполнены цилиндрическими, причем каждая паровая камера охватывает камеру сгорания, сообщена, с ней выходными окнами, и их стенки соединены радиальными перегородками, каждая камора сгорания имеет окно, соединенное с камерой расширения, против окна расположены два ряда отверстий с возможностью поступления через них в камеру сгорания сжатого воздуха и природного газа, а между рядами этих отверстий установлены свечи злектрозажигания.

Устройство РДК-10 и РКК-10 поясняется чертежами, где на фиг. 1 и 2 даны сечения статоров двигателя и компрессора; на фиг. 3 - узел на фиг. 1, увеличенный в 4 раза по сравнению с фиг. 1; на фиг. 4 - сечение А-А на фиг. 3; на фиг. 5 - сечение Б-Б на фиг. 1 и 2; на фиг. 6 - то же, что на фиг. 3, но при повороте ротора на 30^oC; на фиг. 7 - устройство перемещения заслонки, увеличенное в 2 раза по сравнению с фиг. 1 и 2; на фиг. 8 - сечение В-В на фиг. 7; на фиг. 9 - вид спереди на РДК-10 в масштабе фиг. 1 и 2; на фиг. 10 - схема определения уравнения кривой сечения цилиндрической поверхности ротора.

Описание РДК-10 и РКК-10 дано применительно к их использованию на ТЭС.

Роторный двигатель РДК-10 имеет статор 1 и ротор 2 с валом 3, ось вращения которого совмещена с геометрической осью круговой цилиндрической поверхностью статора 1. Вал 3 соединен с втулкой 4 ротора 2, которая соединена радиальными пластинами 5 с цилиндрическим корпусом ротора 2. Вал установлен в подшипниках торцевых стенок 6 статора 1. На диаметрально противоположных сторонах цилиндрического корпуса статора 1 установлены заслонки 7 в направляющих 8.

Поверхности статора 1 и ротора 2 и заслонки 7 образуют камеры 9 рабочего хода и камеры 10 выхлопа (удаления) отработанных газов. Камеры 9 и 10 отделены друг от друга заслонкой 7 с пластинчатой пружиной 11, которая скользит по цилиндрической поверхности ротора 2, и ротором 2 с пластинчатой пружиной 12, которая скользит по цилиндрической поверхности статора 1.

При вращении ротора 2 одновременно образуются две камеры 9 и две камеры 10 по обе стороны двух заслонок 7 и двух цилиндрических поверхностей ротора 2 с пластинчатыми пружинами 12. Камеры 9 и 10 образуются в момент прохождения пружиной 12 отверстия 13, соединяющего камеру сгорания 14 с камерой 9. Камера сгорания 14 образована цилиндрическими стенками 15 с термоизолирующим жаростойким покрытием 16. Между стенками 15 и 17 расположена паровая камера 18, в которую пар поступает из патрубка 19 с отверстиями 20. Противоположные стенки 15 и 17 паровой камеры 18 соединены перегородками 21, в которых установлен клапан 22, перекрывающий выход пара из паровой камеры 18 через отверстие 23. Клапан 22 открывается через период времени, равный 0,01 периода времени вращения ротора 2 после воспламенения топливной смеси в камере 14 и только в том случае, если температура в паровой камере 18 превысит 500^oC на время 0,01-0,02 периода вращения ротора 2. Температура пара определяется электродатчиками, установленными в паровой камере вблизи клапана 22. В патрубок 19 пар поступает из трубок 24, установленных в выхлопной трубе 25 и выходящих из патрубка водяного насоса (условно не показан). Водяной насос накачивает воду под давлением в 200-250 кг/см², которая нагревается в трубках 24 до температуры 300-400^oC, превращаясь в пар за счет тепла выхлопных газов. В паровой камере, предназначенной для предотвращения перегрева корпуса 15 камеры сгорания 14, а также для утилизации тепла перегревающегося корпуса 15, температура пара не может подняться выше 550^oC, т.к. уже при температуре пара в 500^oC начинает периодически открываться клапан 22, и в паровую камеру 18 поступает из патрубка 19 пар с температурой в 300-400^oC вместо пара, спускаемого через клапан 22 и отверстие 23.

Камера сгорания 14 имеет патрубок 26 с клапаном 27, через которые по трубе 28 от баллона компрессора РКК-10 подается воздух, сжатый до 30 кг/см², и патрубок 29 с клапаном 30, через которые от магистрального газопровода по патрубку 31 подается природный газ под давлением 100 кг/см². Между выходами патрубков 26 и 29 в камеру 14 в корпусе 15 установлена электросвеча 32.

Заслонка 7 перемещается в направляющих 8 с помощью либо пневматического устройства, либо с помощью механического устройства. На фиг. 3 дан вариант пневматического устройства, в котором перемещение заслонки 7 производится с помощью сжатого газа, поступающего в камеру 33 по патрубку 34 и выходящего из нее по патрубку 35, переключаемых клапаном 36. При этом патрубок 34 соединяет камеру 33 с камерой 9, а патрубок З5 - с выхлопной трубой. Клапан 36 соединяет камеру 33 с патрубком 34 для движения заслонки в сторону оси вращения ротора 2, так как в это время давление газов из камеры 33 на заслонку будет больше, чем среднее давление газов из камер 9 и 10 на подпружиненный конец заслонки. Для движения заслонки 7 в противоположном направлении клапан 36 соединяет камеру 33 с патрубком 35, в результате чего давление газов в камере 35 снизится до величины меньшей, чем среднее давление в камерах 9 и 10. Существенную часть усилия, необходимого для перемещения заслонки 7, создает и пластинчатая пружина 11, скользящая по цилиндрической поверхности ротора 2.

Перемещение заслонок 7 и 47 с помощью механического устройства МУК имеет более сложную, но более надежную в работе конструкцию.

Для уменьшения сил трения при движении заслонки и для уменьшения прохода газов из камеры 33 в камеры 9 и 10 и в обратном направлении в зазор между заслонкой 7 и направляющими 8 из патрубка 37 через отверстия в направляющих 8 поступает смазка.

Статор 1, ротор 2, корпус 17 паровой камеры 18 и труба 25 выхлопных газов имеют термоизолирующее покрытие 38, изображенное крестообразной штриховкой.

Камеры 39 ротора 2 герметичны и имеют давление заключенного в них воздуха, равное среднему давлению газов в камере 9 за весь рабочий ход ротора 2 при температуре, превышающей температуру выхлопных газов, выходящих в выхлопную трубу 25 через отверстие 40.

Роторный компрессор РКК-10 имеет статор 41, ротор 42 с валом 43, ось вращения которого совмещена с геометрической осью круговой цилиндрической поверхности, статора 41. Вал 43 соединен с втулкой 44 ротора 42, которая соединена пластинами 45 с цилиндрическим корпусом ротора 42. Вал 43 установлен в подшипниках торцевых стенок 46 статора 41. На диаметральных сторонах цилиндрического статора 41 установлены заслонки 47 в направляющих 48.

Поверхности статора 41, ротора 42 и заслонок 47 образуют камеры 49 сжатия и камеры 50 всасывания атмосферного воздуха, поступающего через воздухозаборные трубы 51 в камеру 50 и выходящего через патрубок 52, перекрытый клапаном 53, отрегулированным на пропуск воздуха с заданной степенью сжатия (с заданным давлением). Сжатый воздух через патрубок 52 поступает в баллон для хранения сжатого воздуха (не показан), а из него по трубе 28 и патрубок 26 - в камеру сгорания 14 РДК-10. Статор 41 имеет радиаторные выступы 54, увеличивающие его поверхность охлаждения. Через камеры 55, образованные цилиндрической поверхностью ротора 42 и пластинами 45, проходит наружный воздух, поступающий в пространство 56 между торцевыми стенками 46 статоров 41 и выходящий в пространство 57 между торцевыми стенками 6 и 46. При этом воздух проходит в окна 58 в торцевых стенках ротора 42 под воздействием лопастей вентилятора 59, установленных на втулке 44 против окон в торцевых стенках 46.

Вал 3 соединен с валом 43 с помощью муфты 60.

В пневматическом устройстве перемещения заслонки 47 патрубок 34 подсоединен к камере 49 сжатия перед клапаном 53, а патрубок 35 подсоединен к воздухозаборной трубе 51.

Механический вариант устройства перемещения заслонок 7 и 47 имеет то преимущество перед пневматическим вариантом этого устройства, что края заслонок 7 и 47 с пружиной 11 в любой момент вращения роторов 2 и 42 находятся на заданном расстоянии (зазоре) от цилиндрической поверхности этих роторов, перекрываемом пружиной 11 с минимально необходимым давлением на поверхность, по которой скользит пружина 11 с минимальным трением.

Механическое устройство перемещения заслонки (фиг. 7, 8 и 9) имеет коленчатые валы 61, установленные так, что оси их вращения параллельны осям вращения валов 3 и 43. С каждой из диаметрально противоположных сторон РДК-10 и РКК-10 установлены два коленчатых вала 61 симметрично относительно заслонок 7 и 47. Шейки 62, установленные между щек 63 двух валов 61, соединены между собой коромыслом 64, которое проходит через муфту 65 штока 66, жестко соединенного с заслонкой 7 или 47. Расстояние между осями вращения шейки 62 и коленчатого вала 61 равно половине величины хода заслонки 7 (47) при вращении ротора 2 (42). На одном из концов коленчатого вала 61 установлена шестерня 67, находящаяся в зацеплении через сателлитную шестерню 68 с шестерней 69, установленной на валу 3(43) и имеющей радиус в два раза больший, чем радиус шестерни 67. Муфта 65 имеет катки 70, которые прокатываются по верхней и нижней сторонам коромысла 64 при его движении через муфту 65. Коленчатый вал установлен в кронштейнах 71, закрепленных на корпусе статоров 1 (41). Шток 66 и коромысло 64 при вращении колена коленчатого вала движутся в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Скорость движения штока определяет кривизну цилиндрической поверхности ротора 2 (42), так как в любой момент вращения ротора между его поверхностью и заслонкой 7 (47) устанавливается постоянный по величине зазор, перекрываемый пластинчатой пружиной 11. Работа РДК-10 и РКК-10.

Пуск РДК-10 производят с помощью электродвигателя, вращающего вал 3 и через муфту 60 вал 43. Уже через 5 - 10 оборотов роторов 2 и 42 момент сил вращения ротора 2 в результате рабочего хода от воспламенившегося топлива станет больше момента сил сопротивления вращению валов 3 и 43, скорость вращения роторов 2 и 42 достигнет расчетной - достаточной для отключения электродвигателя и подключения электрогенератора (или перевода электрогенератора из режима электродвигателя в режим электрогенератора).

При работе РДК-10 в установившемся режиме в момент положения, изображенного на фиг. 1 и 3, открывается клапан 27 и производится продувка камеры сгорания 14 сжатым воздухом. В следующий момент времени ротор 2 пружиной 12 перекроет отверстие 13 и в камере 14 давление сжатого воздуха поднимается до заданного значения в 30 - 40 кг/см². В этот момент времени откроется клапан 30, и в камеру 14 войдет струя природного газа под давлением в 50-80 кг/см², равным давлению газа в магистральном газопроводе, от которого отходит патрубок 31. Время открытия клапана 30 рассчитано достаточным для создания в камере 14 топливной смеси из сжатого воздуха и природного газа. При этом включаются электросвечи 32, воспламеняющие топливную смесь, заполнившую камеру 14 и камеру 9 (фиг.6), образовавшуюся в результате вращения ротора 2. Во время воспламенения топлива температура газов в камерах 14 и 9 повышается до 2500^oC, а давление до 30 кг/см². [(2500^oC:273^oC) + 1] = 300 кг/см². Однако в результате вращения ротора 2 и соответствующей скорости увеличения объема камеры 9 такая температура и такое давление возникнут только на время менее тысячной доли секунды и при дальнейшем вращении ротора 2 понизятся в момент положения ротора на фиг. 1 до 400 - 500^oC и до 2 - 3 кг/см². Указанные процессы произойдут одновременно в правой и левой половинах статора 1 в результате синхронной работы правой и левой камер 14, при этом к ротору 2 будут приложены с диаметрально противоположных его сторон равные моменты сил давления газов сгоревшей топливной смеси, что благоприятно скажется на работе вала 3 и подшипников, в которых он установлен в торцевых стенках 6 статора 1. За половину поворота ротора 2 происходит два рабочих хода от воспламенения топливной смеси в двух камерах 14.

После того как РДК-10 за 10 - 20 с наберет расчетную мощность, включается водяной насос, который под давлением в 200 - 300 кг/см² подает воду в трубки 24, установленные в выхлопной трубе 19, в которых вода отнимает от выхлопных газов тепловую энергию и превращается в пар с температурой 300 - 400^oC и давлением в 200 - 300 кг/см². Этот пар по патрубку 19 поступит в паровую камеру 18, в которой температура пара поднимается еще на 100-150^oC за счет утилизации тепловых отходов, возникающих при работе камеры сгорания 14. При увеличении температуры пара более 500^o по сигналу электродатчика 72 температуры, установленного в паровой камере 18, компьютер выдает команду на электродвигатель клапана 22 для его открытия на тысячную долю секунды после прохождения пружиной 12 ротора 2 отверстия 23. В установившемся режиме работы клапан 22 будет открываться после каждого воспламенения топливной смеси в камере 14 на время, необходимое для поддержания температуры пара в паровой камере 18 в пределах 500 - 550^oC. Такая температура исключит вероятность перегрева стенок 15 камеры 14 и позволит существенно повысить мощность двигателя и его КПД. Таким образом, за счет снижения температуры выхлопных газов, выходящих из выхлопной трубы 25, за счет охлаждения стенок 15 камеры 14 до расчетной температуры 600 - 650^oC и использования пара высоких параметров (давление более 200 кг/см², температура 500^oC для вращения ротора повышается КПД РДК-10 по сравнению с известными ДВС, в которых теряется более половины тепловой энергии сгоревшего топлива с раскаленными до 600^oC выхлопными газами и с горячей водой, охлаждающей блок цилиндров.

Клапан 27 открывает патрубок 26 в момент подхода пружины 12 ротора 2 к отверстию 13 с таким расчетом, что до перекрытия отверстия 13 пружиной 12 происходит продувка камеры 14 сжатым воздухом, а в момент перекрытия отверстия 13 в камере 14 давление сжатого воздуха повышается до расчетного, производится выпрыск топлива открытием клапана 30 и в момент, отраженный на фиг. 6, происходит воспламенение топливной смеси из воздуха и природного газа с помощью электросвечей 32, включаемых компьютером. Начинается рабочий ход ротора 2 под давлением газов сгоревшего топлива в расширяющейся камере 9 при вращении ротора 2. В момент, отраженный на фиг. 1, в результате вращения ротора 2 открывается отверстие 40 выхлопной трубы 25, через которую при дальнейшем вращении ротора 2 происходит удаление отработанных выхлопных газов и следующий рабочий ход, совершаемый одновременно по другую сторону пружины 12 ротора 2, в результате воспламенения в камере 14 следующей порции топливной смеси.

При работе РДК-10 в камеру сгорания поступает сжатый воздух с температурой на 300 - 400 ниже температуры сжатого воздуха, которым заполняется камера сгорания в поршневом ДВС. Благодаря этому равная по объему камера сгорания РДК-10 заполняется большей массой воздуха, чем в поршневом ДВС, что позволяет увеличить мощность работы каждой камеры двигателя.

В пневматическом устройстве перемещения заслонки клапан 36 поворотом на 90^o соединяет камеру 33 с парубком 34 или патрубком 35 в зависимости от того, в каком направлении должна двигаться заслонка при скольжении ее пружины 11 по цилиндрической поверхности ротора. При этом не предъявляется требований к форме цилиндрической поверхности, которая может быть эллиптической и овальной.

В механическом устройстве перемещения заслонки форма цилиндрической поверхности ротора определена кинематикой движения каретки 65 при вращении коленчатого вала 61 с угловой скоростью в 2 раза большей, чем угловая скорость вращения ротора 2 (42).

Для использования РДК-10 и РКК-10 в качестве двигателя суммарная производительность РКК-10 определяется потребностями РДК-10 в сжатом воздухе, вырабатываемым РКК-10. Для использования РКК-10 и РДК-10 в качестве компрессора мощность РДК-10 определяется потребляемой мощностью РКК-10, необходимой для выработки сжатого воздуха (или сжатого газа), потребляемого в производстве и потребляемого РДК-10 для обеспечения работы РКК-10. При этом число статоров РКК-10 должно быть в несколько раз больше, чем статоров РДК-10, если габариты статоров 1 и 41 равны или при равном количестве статоров 1 и 41 габариты статоров 41 должны быть несколько больше, чем габариты статора 1.