роторный двигатель внешнего сгорания

Формула изобретения

Роторный двигатель внешнего сгорания, состоящий из ротора, лопаток, не менее двух корпусов, уплотняющих элементов, состоящий из двух секций: горячей и холодной, роторы которых жестко закреплены на одном валу, причем ротор горячей секции длиннее, чем ротор холодной секции, а рабочая площадь лопатки и объем полости больше у горячей секции; содержит входное окно холодной секции, выходное окно холодной секции, входное окно горячей секции, выходное окно горячей секции; полости горячей и холодной секций соединены между собой посредством двух труб, одна из которых проходит через полость охлаждения, другая через полость нагревания, и обе пересекают полость регенерации, на пути от которой к холодной секции установлен клапан, отличающийся тем, что части лопатки находятся по разные стороны оси вращения, и каждая лопатка полностью выдвинута и неподвижна относительно ротора при вращении в момент, когда расстояние между противоположными стенками равно длине лопатки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения и, в частности, к двигателестроению. Известен роторный двигатель внешнего сгорания патент [РФ № 2208176]. 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 патент РФ № 2258824. 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.

Известно описание роторного двигателя внешнего сгорания в журнале «Наука и жизнь» № 3 за 2007 г. Этот двигатель взят за прототип.

Основная идея данного решения состоит в том, что на общем валу установлены два рабочих цилиндра разной длины с эксцентриковыми роторами и подпружиненными разделительными пластинами. Полость нагнетания (условно - сжатия) малого цилиндра соединена с полостью расширения большого цилиндра через канавки в разделительных пластинах, трубопровод, теплообменник-регенератор и нагреватель, а полость расширения малого цилиндра - с полостью нагнетания большого цилиндра через регенератор и холодильник.

Двигатель работает следующим образом. В каждый момент времени из малого цилиндра в ветвь высокого давления поступает некоторый объем газа. Чтобы заполнить полость нагнетания большого цилиндра и при этом сохранить давление, газ нагревают в регенераторе и нагревателе; его объем увеличивается, и давление остается постоянным. То же, но "с обратным знаком" происходит в ветви низкого давления. Из-за разницы в площадях поверхности роторов возникает результирующая сила F= p(S₆-S_м), где р - разность давлений в ветвях высокого и низкого давлений; S₆ - рабочая площадь большого ротора; S_м - рабочая площадь малого ротора. Эта сила вращает вал с роторами, и рабочее тело непрерывно циркулирует, последовательно проходя через всю систему. Полезный рабочий объем двигателя равен разности объемов двух цилиндров.

В этом двигателе отсутствует клапан в ветви высокого давления, что не позволяет повысить давление холодного газа перед его подачей в регенератор и нагреватель. Также отсутствие клапана позволяет части горячего газа поступать обратно в секцию короткого ротора. Все это снижает КПД двигателя.

Целью заявленного решения является устранение этих недостатков путем применения иной конструкции лопаток и двигателя.

Техническим результатом является улучшение организации процесса смазки двигателя, исключение попадания сгоревших газов в рабочую смесь, повышение КПД.

Указанная цель и результат достигаются за счет того, что роторный двигатель внешнего сгорания, состоящий из ротора, лопаток, не менее двух корпусов, впускного отверстия, впускного окна камеры сгорания, впускного клапана, камеры сгорания, свечи зажигания, выпускного клапана, выпускного окна, выпускного отверстия, уплотняющих элементов, отличающийся тем, что состоит из двух секций: горячей и холодной, роторы которых жестко закреплены на одном валу, причем ротор горячей секции длиннее, чем ротор холодной секции, а рабочая площадь лопатки и объем полости больше у горячей секции; полости горячей и холодной секций соединены между собой посредством двух труб, одна из которых проходит через полость охлаждения, другая через полость нагревания, и обе пересекают полость регенерации, на пути от которой к холодной секции установлен клапан.

Краткое описание чертежей

На Фиг.1 показана конструкция двигателя, где 1 - ротор, 2 - лопатка, 3 - корпус, 4 - перегородка между рабочей и управляющей полостями, 5 - управляющая полость, 6 - рабочая полость, 7 - уплотнение на лопатке.

На Фиг.2, 3, 4, 5 - принцип работы двигателя, где 8 - холодильник, 9 - регенератор, 10 - нагреватель, 11 - клапан, 12 - входное окно холодной секции, 13 - выходное окно холодной секции, 14 - входное окно горячей секции, 15 - выходное окно горячей секции, 16 - лопатка в горячей секции, 17 - лопатка в холодной секции.

Двигатель внешнего сгорания состоит из двух секций - горячей (Б) и холодной (А). Их роторы жестко закреплены на одном валу. Для более удобного показа принципа работы двигателя секции изображены на чертежах раздельно. Ротор горячей секции длиннее, чем ротор холодной секции. Поэтому рабочая площадь лопатки (16) и объем полости больше у горячей секции. Полости горячей (Б) и холодной (А) секций соединяются между собой, как показано на Фиг.2. Так как процессы в полостях аналогичны, на чертеже изображена только пара полостей. При движении газа он проходит через регенератор (9), нагреватель (10), холодильник (8), клапан (11).

Работает двигатель следующим образом.

Лопатка (17) находится перед входным отверстием (12). Клапан (11) закрыт. Газ из горячей секции, проходя через регенератор (9) и холодильник (8) в холодную секцию, охлаждается и уменьшается в объеме. Давление в горячей секции уменьшается. Лопатка (16) не дошла до входного окна (14) (положение Фиг.3). При дальнейшем вращении лопатка (17) сжимает газ в холодной секции. И одновременно засасывает охлажденный газ из горячей секции. При достижении некоторого давления клапан (11) открывается. В это время лопатка (16) в горячей секции проходит входное отверстие (14). Проходя через регенератор (9) и нагреватель (10), газ нагревается, увеличивает свой объем и давит на лопатку (16), совершая работу. В тоже время лопатка (16) начинает вытеснять горячий газ от предыдущего цикла. Этот газ, проходя через регенератор (9), отдает тепло газу, который в это время идет из холодной в горячую секцию. Затем дополнительно охлаждается в холодильнике (8), уменьшая свой объем, и поступает в холодную секцию (положение Фиг.4). При дальнейшем вращении лопатка (17) вытесняет весь газ из холодной секции, который расширяясь, совершает работу в горячей секции. При достижении лопаткой (17) холодной секции выходного отверстия (13) клапан (11) закрывается. Газ из холодной секции не поступает в горячую. Но газ, нагреваясь и расширяясь в горячей секции, продолжает давить на лопатку, совершая работу (положение Фиг.5). После прохождения лопаткой (16) выходного отверстия горячей секции (15) горячий газ начинает через регенератор (9) и холодильник (8) поступать в холодную секцию. Охлаждаясь, он уменьшает свой объем. Давление в горячей полости начинает снижаться. Клапан (11) закрыт. За то время, пока второй конец лопатки (17) достигнет входного отверстия холодной секции (12), давление в горячей и холодной секциях сравняется (положение Фиг.6). Когда второй конец лопатки (17) достигает входного отверстия (12) холодной секции, процесс повторяется. Процессы в других парах полостей аналогичны. Поэтому за один оборот вала произойдет шесть рабочих циклов. Причем, в любой момент времени, как минимум в одной полости всегда будет происходить рабочий цикл.

Количество полостей в секции может быть другим, но обязательно нечетным. Принцип работы лопатки состоит в следующем. В определенный момент расстояние между противоположными стенками равно длине лопатки. Лопатка полностью выдвинута и неподвижна относительно ротора при вращении. При вращении ротора лопатка взаимодействуете корпусом в управляющей полости (5). При этом лопатка двигается относительно ротора (1) в радиальном направлении.

При дальнейшем вращении лопатка под воздействием стенки корпуса начинает вдвигаться в ротор, так как на противоположной стенке начинается полость. Когда лопатка полностью вдвигается в ротор, она неподвижна относительно него. Так циклически двигаясь относительно ротора, лопатка создает области переменного объема в полостях. Так как части лопатки находятся по разные стороны оси вращения, то на лопатку будет действовать центробежная сила только части лопатки, выступающей из ротора.

Лопаток также может быть больше, чем одна. Горячие газы будут расширяться в большем объеме, поэтому температура и давление выхлопных газов перед выходом в атмосферу будет меньше, что увеличит КПД.

Сгоревшие газы не будут попадать в рабочую смесь, так как полости сжатия и сгорания разделены.