RU2814331C1 - Rotary engine with external heat supply - Google Patents
Rotary engine with external heat supply Download PDFInfo
- Publication number
- RU2814331C1 RU2814331C1 RU2022132934A RU2022132934A RU2814331C1 RU 2814331 C1 RU2814331 C1 RU 2814331C1 RU 2022132934 A RU2022132934 A RU 2022132934A RU 2022132934 A RU2022132934 A RU 2022132934A RU 2814331 C1 RU2814331 C1 RU 2814331C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rotor
- blade
- blades
- engine
- shaft
- Prior art date
Links
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims abstract description 7
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 28
- 239000007789 gas Substances 0.000 abstract description 8
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 abstract description 4
- 230000008439 repair process Effects 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 8
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 7
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 7
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 5
- 230000006870 function Effects 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 2
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 2
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000004035 construction material Substances 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000010687 lubricating oil Substances 0.000 description 1
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 description 1
- 238000011017 operating method Methods 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
Abstract
Description
Заявляемое изобретение относится к двигателям с внешним подводом теплоты роторного типа и предназначено для использования в качестве главных и вспомогательных (стационарных и передвижных) силовых установок, в том числе и для транспортных средств. Наиболее близким к данному изобретению является силовая установка с внешним подводом теплоты и ее роторная машина в качестве модуля по патенту РФ №2731466 от 2019-05-15. Силовая установка (двигатель), составленная из одного, или как комбинация нескольких модулей (секций), посаженных на один вал, с подобранными параметрами для каждого, на базе роторной машины с выдвигающимися лопатками, или роторной машины Ванкеля. С определенными зонами нагрева и охлаждения для определенных модулей, и каждый из них реализует определенный такт заданного замкнутого или открытого термодинамического цикла работы силовой установки. Модули соединены, соответственно, элементами впускного-выпускного тракта, включающими трубопроводы и теплообменники, при последовательном непрерывно-равномерно-однонаправленном потоке рабочего тела (РТ) в установке. С возможным применением регенератора (рекуператора), вставленного в определенном месте тракта. Роторная машина, с выдвигающимися лопатками, содержит неподвижный корпус, с выполненными в нем канавками, жестко посаженный на вал ротор и выдвижное устройство. Канавки с ободом ротора образуют полости, которые имеют впускные и выпускные окна. Канавки в зоне впускного и выпускного окон расширены в сторону переходов. Ротор выполнен в виде колеса с ободом, имеющим кольцеобразный выступ прямоугольной или полусферической формы, соответствующей профилю канавок корпуса. В теле ротора, в изолированных от внутриободного пространства каналах-направляющих, расположены лопатки (прямые, изогнутые), с возможностью выхода только в функциональные полости. Лопатки имеют шарнирное соединение с элементами выдвижного устройства через штоки. Выдвижное устройство (ВУ) обеспечивает, согласованное с углом поворота ротора, выдвижение и задвигание лопаток, с возможностью, в пределах участка рабочей полости на противоположных его концах, одновременно находиться двум смежным лопаткам в определенный момент вращения ротора. Данные двигатели имеют ряд недостатков. Определенные модули выгодно выполнять на базе роторных машин другого типа, обеспечивающих более эффективную реализацию определенного такта. Расположение модулей на одном валу, в определенных случаях, не позволяет полно использовать объем и ограничивает место, выделенное для размещения силовой установки. Усложнен оптимальный подвод трубопроводов, соединяющих модули. Для модулей, имеющих две рабочие полости и более двух прямых лопаток, радиальное расположение каналов не позволяет добиться значительного (относительно) вылета лопаток со штоками, через шарнирное соединение с шатуном ВУ. А изогнутые лопатки имеют малый радиус и тоже относительно малый вылет, при этом выдвинутая лопатка имеет составляющую газовых сил, действующую в направлении выдвижения, что снижает механический КПД. Пересечение лопаток (в одном модуле) и подвод элементов ВУ не позволяет иметь нужную большую опорную часть (часть лопатки, при выдвижении, всегда остающейся в канале), при меньшем диаметре ротора. Что ведет к увеличению масса-габаритных (удельных) показателей двигателя в целом. Отсутствие возможности иметь разную скорость вращения роторов, что, в определенных тактах цикла, повышает эффективность рабочего процесса.The claimed invention relates to engines with external heat supply of the rotary type and is intended for use as main and auxiliary (stationary and mobile) power units, including for vehicles. The closest to this invention is a power plant with an external heat supply and its rotary machine as a module according to RF patent No. 2731466 dated 2019-05-15. A power plant (engine) made up of one or a combination of several modules (sections) mounted on one shaft, with selected parameters for each, based on a rotary machine with retractable blades, or a rotary Wankel machine. With specific heating and cooling zones for specific modules, and each of them implements a specific cycle of a given closed or open thermodynamic cycle of the power plant. The modules are connected, respectively, by elements of the inlet-outlet tract, including pipelines and heat exchangers, with a sequential continuous-uniform-unidirectional flow of the working fluid (PT) in the installation. With the possible use of a regenerator (recuperator) inserted at a certain point in the tract. A rotary machine with retractable blades contains a stationary body with grooves made in it, a rotor rigidly mounted on the shaft and a retractable device. Grooves with the rotor rim form cavities that have inlet and outlet ports. The grooves in the area of the inlet and outlet windows are expanded towards the transitions. The rotor is made in the form of a wheel with a rim having a ring-shaped protrusion of a rectangular or hemispherical shape, corresponding to the profile of the housing grooves. In the rotor body, in guide channels isolated from the intra-rim space, blades (straight, curved) are located, with the ability to exit only into functional cavities. The blades have a hinged connection with the elements of the retractable device through the rods. The retractable device (DR) ensures, consistent with the angle of rotation of the rotor, the extension and retraction of the blades, with the possibility, within the section of the working cavity at its opposite ends, for two adjacent blades to simultaneously be located at a certain moment of rotation of the rotor. These engines have a number of disadvantages. It is advantageous to implement certain modules on the basis of rotary machines of a different type, which provide more efficient implementation of a certain cycle. The arrangement of modules on one shaft, in certain cases, does not allow full use of the volume and limits the space allocated for the placement of the power plant. The optimal supply of pipelines connecting the modules has been complicated. For modules with two working cavities and more than two straight blades, the radial arrangement of the channels does not allow achieving a significant (relatively) protrusion of the blades with rods through the hinged connection with the connecting rod VU. And curved blades have a small radius and also a relatively small reach, while the extended blade has a component of gas forces acting in the direction of extension, which reduces the mechanical efficiency. The intersection of the blades (in one module) and the supply of VU elements does not allow us to have the required large supporting part (the part of the blade that, when extended, always remains in the channel), with a smaller rotor diameter. Which leads to an increase in the weight-dimensional (specific) indicators of the engine as a whole. The inability to have different rotor speeds, which, in certain cycle cycles, increases the efficiency of the work process.
Заявляемый двигатель, как и известный, может быть составлен из одного, или как комбинация нескольких модулей, с подобранными параметрами для каждого, на базе роторной машины. С определенными зонами нагрева и охлаждения для определенных модулей, и каждый из них реализует определенный такт заданного замкнутого или открытого термодинамического цикла работы двигателя. Модули соответственно соединены элементами впускного-выпускного тракта, включающими трубопроводы и теплообменники, при последовательном непрерывно-равномерно-однонаправленном потоке рабочего тела в двигателе. С возможным применением регенератора (рекуператора), вставленного в определенном месте тракта. Роторная машина определенного модуля содержит неподвижный корпус, с выполненными в нем канавками, жестко посаженный на вал ротор и выдвижное устройство. Канавки с ободом ротора образуют полости, которые имеют впускные и выпускные окна. Канавки в зоне впускного и выпускного окон расширены в сторону переходов. Ротор выполнен в виде колеса с ободом, имеющим кольцеобразный выступ, соответствующий профилю канавок корпуса. В теле ротора, в изолированных от внутриободного пространства каналах-направляющих, расположены лопатки (прямые, изогнутые), с возможностью выхода только в функциональные полости. Лопатки имеют шарнирное соединение с элементами выдвижного устройства. Выдвижное устройство (ВУ), на базе зубчато-кривошипного механизма, обеспечивает, согласованное с углом поворота ротора, выдвижение и задвигание лопаток.The inventive engine, like the known one, can be composed of one, or as a combination of several modules, with selected parameters for each, based on a rotary machine. With specific heating and cooling zones for specific modules, and each of them implements a specific stroke of a given closed or open thermodynamic cycle of the engine. The modules are respectively connected by elements of the intake-exhaust tract, including pipelines and heat exchangers, with a consistent continuous-uniform-unidirectional flow of the working fluid in the engine. With the possible use of a regenerator (recuperator) inserted at a certain point in the tract. A rotary machine of a certain module contains a stationary body with grooves made in it, a rotor rigidly mounted on the shaft and a retractable device. Grooves with the rotor rim form cavities that have inlet and outlet ports. The grooves in the area of the inlet and outlet windows are expanded towards the transitions. The rotor is made in the form of a wheel with a rim having a ring-shaped protrusion corresponding to the profile of the housing grooves. In the rotor body, in guide channels isolated from the intra-rim space, blades (straight, curved) are located, with the ability to exit only into functional cavities. The blades have a hinged connection with the elements of the retractable device. A retractable device (RD), based on a gear-crank mechanism, ensures extension and retraction of the blades, consistent with the angle of rotation of the rotor.
Заявляемые двигатели с внешним подводом теплоты замкнутого и свободного цикла могут быть реализованы в качестве паровой машины, как двигатели, использующие газообразное рабочее тело (на всех стадиях цикла), и как двигатели, использующие смешанное двухкомпонентное рабочее тело (одно из которых меняет свою агрегатное состояние в течение цикла).The inventive engines with external heat supply of a closed and free cycle can be implemented as a steam engine, as engines using a gaseous working fluid (at all stages of the cycle), and as engines using a mixed two-component working fluid (one of which changes its state of aggregation in during the cycle).
Технической проблемой, решаемой данным изобретением, является: наличие однотипных модулей, не всегда эффективно реализующих определенный такт; размещение модулей ограничено, что не позволяет рационально использовать объем выделенный для СУ и упростить соединения элементов двигателя; равные обороты не позволяют эффективно реализовывать определенные такты и уменьшить габариты модулей; модули с выдвигающимися лопатками имеют малую опорную часть, что понижает их надежность.The technical problem solved by this invention is: the presence of similar modules that do not always effectively implement a certain clock cycle; the placement of modules is limited, which does not allow rational use of the volume allocated for the control system and simplify the connections of engine elements; equal revolutions do not allow efficient implementation of certain clock cycles and reduction of module dimensions; modules with retractable blades have a small supporting part, which reduces their reliability.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности в использовании энергии газов и, соответственно, КПД, увеличение удельной мощности, и уменьшение габаритов двигателя, упрощении, повышении надежности, удобство (доступность) в обслуживании и ремонте.The technical result of the invention is an increase in efficiency in the use of gas energy and, accordingly, efficiency, an increase in specific power, and a reduction in engine dimensions, simplification, increased reliability, convenience (availability) in maintenance and repair.
Данный технический результат достигается тем, что двигатель может состоять из комбинации определенных модулей, содержащих различные типы роторных машин каждый. Модули могут быть расположены произвольно в пространстве, даже в разных плоскостях, и согласуются между собой посредством зубчатых колес и валов, цепной и ременной передачей. Модули могут иметь разную частоту вращения ротора. В каналах в теле ротора могут быть расположены изогнутые лопатки, с постоянным радиусом кривизны больше радиуса ротора. Головка шатуна ВУ имеет шарнирное соединение с цилиндрическим стержнем, расположенным на длинном изогнутом торце лопатки. Закрепленные на стержне планки прикрывают открытую для хода шарнира сторону канала. Модули могут иметь ротор, содержащий одну или две прямые лопатки, которые расположены в каналах, проходящих диаметрально через все тело ротора (сквозной проход), и имеющих выходы для лопаток с двух противоположных сторон ротора. Модуль может содержать выдвижное устройство, вал которого свободно закреплен в его (опора вала) корпусе и смещен в сторону наибольшего выдвижения лопатки, а зубчатое колесо вала входит в зацепление с зубчатым венцом на внутреннем ободе полого вала ротора. А рычаг кривошипа соединен, в соответствующем месте, с элементом шарнира на торце лопатки. Модули, имеющие одну рабочую полость с ротором, содержащего две, проходящих через все его тело, пересекающиеся лопатки, могут осуществлять два такта или удвоение рабочих тактов.This technical result is achieved by the fact that the engine can consist of a combination of certain modules, each containing different types of rotary machines. The modules can be located arbitrarily in space, even in different planes, and are coordinated with each other through gears and shafts, chain and belt drives. Modules may have different rotor speeds. Curved blades with a constant radius of curvature greater than the radius of the rotor can be located in the channels in the rotor body. The connecting rod head VU has a hinged connection with a cylindrical rod located on the long curved end of the blade. The strips attached to the rod cover the side of the channel that is open for the hinge to move. The modules may have a rotor containing one or two straight blades, which are located in channels passing diametrically through the entire body of the rotor (through passage), and having exits for the blades on two opposite sides of the rotor. The module may contain a retractable device, the shaft of which is loosely fixed in its (shaft support) body and shifted towards the greatest extension of the blade, and the shaft gear engages with a ring gear on the inner rim of the hollow rotor shaft. And the crank lever is connected, in the appropriate place, to the hinge element at the end of the blade. Modules that have one working cavity with a rotor containing two intersecting blades passing through its entire body can perform two strokes or double the working strokes.
Выполнение определенных модулей на базе роторных машин другого типа (шестеренчатой (шестеренной), роторной-винтовой, турбо), включая и совместное применение модулей на базе роторных машин с выдвигающимися лопатками и машин Ванкеля, позволит определенные такты реализовать более эффективно, что повысит общий КПД двигателя. Также есть возможность уменьшить габариты двигателя.The implementation of certain modules based on rotary machines of another type (gear (gear), rotary-screw, turbo), including the joint use of modules based on rotary machines with retractable blades and Wankel machines, will allow certain strokes to be implemented more efficiently, which will increase the overall efficiency of the engine . It is also possible to reduce the size of the engine.
Выполнение двигателя с произвольным размещением модулей позволяет более полно и рационально использовать объем, выделенный для размещения силовой установки, что повышает его компактность и улучшает доступность при ремонте и обслуживании. А также иметь наиболее выгодное соединение модулей связывающими трубопроводами, что уменьшает газодинамические потери.Constructing the engine with random placement of modules allows for more complete and rational use of the volume allocated to accommodate the power plant, which increases its compactness and improves accessibility for repair and maintenance. And also have the most advantageous connection of modules with connecting pipelines, which reduces gas-dynamic losses.
Выполнение модулей, имеющих разную частоту вращения, позволяет более полно использовать энергию газовых сил (повышение КПД) и ведет к уменьшению массы и габаритов двигателя.The implementation of modules with different rotation speeds allows for more complete use of the energy of gas forces (increased efficiency) and leads to a reduction in the weight and dimensions of the engine.
Выполнение каналов (в теле ротора) и изогнутых лопаток, с постоянным радиусом кривизны больше радиуса ротора, позволяет рационально использовать внутриободное пространство. Это увеличит длину канала и лопатки и, соответственно, опорную часть последней. Что позволит добиться относительно большего вылета лопатки при меньшем диаметре ротора. Это приводит к повышению удельной мощности, снижению массы и габаритов, увеличению ресурса и надежности двигателя.The creation of channels (in the rotor body) and curved blades, with a constant radius of curvature greater than the radius of the rotor, allows rational use of the intra-rim space. This will increase the length of the channel and blade and, accordingly, the supporting part of the latter. This will make it possible to achieve a relatively larger blade overhang with a smaller rotor diameter. This leads to an increase in specific power, a reduction in weight and dimensions, an increase in engine life and reliability.
Выполнение ВУ, у которого головка шатуна имеет шарнирное соединение с цилиндрическим стержнем на лопатке, позволяет связь ВУ с лопаткой сделать короче и надежней, что упрощает конструкцию и повышает ее надежность.Making the connecting rod in which the connecting rod head has a hinged connection with a cylindrical rod on the blade allows the connection between the connecting rod and the blade to be made shorter and more reliable, which simplifies the design and increases its reliability.
Выполнение планок, закрепленных на стержне, позволяет прикрыть открытую часть канала и разделить зоны применения сухой и жидкой смазки, что повышает надежность двигателя.The execution of strips attached to the rod makes it possible to cover the open part of the channel and separate the zones of application of dry and liquid lubricant, which increases the reliability of the engine.
Выполнение ротора с радиальным расположением каналов, проходящих через все его тело, позволяет иметь лопатку с кратно большей опорной частью и, соответственно, большим относительным вылетом лопатки. Появляется возможность одновременного участие крайних, противоположных торцовых участков одной лопатки в рабочем процессе. Что приводит к повышению удельной мощности, снижению массы и габаритов и повышению ресурса и надежности двигателя.Making the rotor with a radial arrangement of channels passing through its entire body makes it possible to have a blade with a multiple larger supporting part and, accordingly, a large relative blade outreach. It becomes possible to simultaneously participate in the extreme, opposite end sections of one blade in the working process. Which leads to an increase in specific power, a reduction in weight and dimensions and an increase in the service life and reliability of the engine.
Выполнение ВУ, вал которого свободно закреплен в теле модуля (опора вала ВУ) и смещен в сторону наибольшего выдвижения лопатки, а зубчатое колесо вала ВУ входит в зацепление с зубчатым венцом на внутреннем ободе полого вала ротора и имеющее диаметр и количеством зубьев вдвое меньше, чем зубчатый венец полого вала ротора. При этом рычаг кривошипа соединен в соответствующем месте с элементом шарнира на длинном торце лопатки. Это позволяет иметь компактный механизм выдвижения, исключить одно звено (шатун), упростить механизм и повысить его надежность.Execution of a control unit, the shaft of which is loosely fixed in the body of the module (support of the control unit shaft) and is shifted towards the greatest extension of the blade, and the gear wheel of the control unit shaft engages with a gear rim on the inner rim of the hollow rotor shaft and has a diameter and number of teeth half as large as gear ring of the hollow rotor shaft. In this case, the crank lever is connected in the appropriate place to the hinge element on the long end of the blade. This allows you to have a compact extension mechanism, eliminate one link (connecting rod), simplify the mechanism and increase its reliability.
Выполнение модуля, имеющего одну рабочую полость, с ротором содержащего две, проходящие через все его тело, пересекающиеся лопатки, позволяет осуществлять два такта в одном модуле или удвоение рабочих тактов на оборот, что ведет к увеличению удельной мощности. Также это позволяет уменьшить количество модулей (для заданного цикла), тем самым увеличить мех. КПД и увеличить реакцию системы при регулировании (за счет отсутствия переходных объемов-трубопроводов).The implementation of a module having one working cavity, with a rotor containing two intersecting blades passing through its entire body, allows for two strokes in one module or doubling the working strokes per revolution, which leads to an increase in specific power. This also allows you to reduce the number of modules (for a given cycle), thereby increasing the fur. efficiency and increase the system response during regulation (due to the absence of transition volumes-pipelines).
Таким образом, вышеперечисленная совокупность признаков изобретения, позволяет обеспечить новый технический результат - значительное повышение надежности, удельных характеристик и повышение эффективности использования энергии газов и, соответственно, КПД двигателя.Thus, the above set of features of the invention makes it possible to provide a new technical result - a significant increase in reliability, specific characteristics and an increase in the efficiency of gas energy use and, accordingly, engine efficiency.
Изобретение поясняется с помощью чертежей, где на фиг. 1 представлен фрагмент общего вида двигателя в изометрии (составленного из двух роторных машин); на фиг. 2 - схема с 4-мя изогнутыми лопатками; на фиг. 3 - схема работы роторной машины с одной прямой лопаткой; на фиг. 4 - фрагмент роторной машины с ВУ для двух прямых лопаток; на фиг. 5 - схема работы роторной машины с двумя лопатками; на фиг. 6 - примерная схема построения двигателя.The invention is illustrated with the help of drawings, where in FIGS. 1 shows a fragment of a general view of the engine in isometry (composed of two rotary machines); in fig. 2 - diagram with 4 curved blades; in fig. 3 - diagram of the operation of a rotary machine with one straight blade; in fig. 4 - fragment of a rotor machine with a rotating device for two straight blades; in fig. 5 - diagram of the operation of a rotary machine with two blades; in fig. 6 - approximate diagram of engine construction.
Роторная машина, с выдвигающимися лопатками и равномерным вращением главного элемента, для двигателя с внешним подводом теплоты (фиг. 1, 2), содержит: неподвижный корпус 1, представляющий полый цилиндр, который с торцов прикрыт крышками; ротор 2 (главный элемент), в виде, посаженного на вал 3 и полый вал 4, колеса, в роторе 2 содержатся прямые лопатки 5 или изогнутые лопатки 6 в каналах-направляющих 7 (соответственно расположенных радиально или тангенциально в теле ротора); выдвижное устройство (ВУ).A rotary machine, with retractable blades and uniform rotation of the main element, for an engine with external heat supply (Fig. 1, 2), contains: a fixed housing 1, representing a hollow cylinder, which is covered at the ends with covers; rotor 2 (main element), mounted on shaft 3 and hollow shaft 4, wheels; rotor 2 contains straight blades 5 or curved blades 6 in guide channels 7 (respectively located radially or tangentially in the rotor body); retractable device (RU).
Основная часть корпуса 1 (фиг. 1, 3) представляет собой полый, кольцеобразный цилиндр и на его внутренней поверхности выполнены канавки соответствующего профиля. Внутренняя ободная поверхность корпуса (канавки) и внешняя ободная поверхность ротора образуют функциональную полость 8, с впускным 9 и выпускным 10 окнами. В месте контакта ротора с корпусом имеется перегородка (зона перехода) 11. Верхняя и нижняя части корпуса 1 являются, соответственно, верхней и нижней опорой цапф вала ротора и прикрывают с торцов основную часть корпуса. Ширина канавок в функциональной полости соответствует ширине лопаток. На профильной стенке 12 основной части корпуса 1, в начале функциональной полости 8 (в соответствии с направлением вращения ротора), имеются впускное окно 9, а в конце - выпускное окно 10. Функциональная полость 8 (фиг. 3) состоит из рабочего участка (зоны) 13, где наибольшее воздействие рабочего тела на лопатку (рабочий ход), или воздействие лопатки на рабочее тело (сжатие, вытеснение), и зоны впускного 14 и выпускного 15 окон. Канавки в зонах впускного 14 и выпускного 15 окон расширены в сторону перехода 11.The main part of the housing 1 (Fig. 1, 3) is a hollow, ring-shaped cylinder and on its inner surface there are grooves of the corresponding profile. The inner rim surface of the housing (grooves) and the outer rim surface of the rotor form a functional cavity 8, with inlet 9 and outlet 10 windows. At the point of contact of the rotor with the housing there is a partition (transition zone) 11. The upper and lower parts of the housing 1 are, respectively, the upper and lower supports of the rotor shaft journals and cover the main part of the housing at the ends. The width of the grooves in the functional cavity corresponds to the width of the blades. On the profile wall 12 of the main part of the housing 1, at the beginning of the functional cavity 8 (in accordance with the direction of rotation of the rotor), there is an inlet window 9, and at the end - an outlet window 10. The functional cavity 8 (Fig. 3) consists of a working section (zone ) 13, where the greatest impact of the working fluid on the blade (power stroke), or the impact of the blade on the working fluid (compression, displacement), and the zones of the inlet 14 and outlet 15 windows. The grooves in the areas of the inlet 14 and outlet 15 windows are expanded towards the transition 11.
Ротор 2 (фиг. 1, 2, 3, 4) представляет собой тело цилиндрической формы, в виде колеса с ободом 16, который имеет кольцеобразный выступ 17 прямоугольной или полусферической формы (в поперечном сечении ротора) и, соответствующей формы, канавки в корпусе 1. Ротор 2 содержит одну или две прямые лопатки 5, или несколько изогнутых лопаток 6 во внутренних каналах-направляющих 7, которые расположены в теле ротора (спицах) радиально или тангенциально, при этом форма профиля короткого торца лопатки соответствует форме профиля кольцеобразного выступа. В радиально расположенных спицах (для прямых лопаток) выполнены каналы-направляющие 7, проходящие через все тело ротора (сквозной проход) по его диаметральной линии и изолированы от внутриободного пространства (и друг от друга, с двумя пересекающими лопатками), за исключением центральной части, в пределах внутреннего обода полого вала 4 (на величину хода лопатки). Данное пространство может быть изолированно на определенном уровне полого вала 4 ВУ крышкой 18 корпуса, это позволяет дополнительно изолировать каналы от, подверженного жидкой смазке, околоосевого пространства (где расположены элементы ВУ). На внешней ободной поверхности ротора 2 имеются отверстия канала для выхода лопаток 5, 6 в функциональную полость 8. Канал 7, также имеет уплотнения с лопаткой, не позволяющее перетекание РТ вдоль него (не показано). Обод 16, сопряженный с задней (по ходу вращения) стенкой канала, несколько сглажен.Rotor 2 (Fig. 1, 2, 3, 4) is a cylindrical body, in the form of a wheel with a rim 16, which has a ring-shaped protrusion 17 of rectangular or hemispherical shape (in the cross section of the rotor) and, correspondingly, grooves in the housing 1 Rotor 2 contains one or two straight blades 5, or several curved blades 6 in internal guide channels 7, which are located in the rotor body (spokes) radially or tangentially, and the profile shape of the short end of the blade corresponds to the profile shape of the annular protrusion. In the radially located spokes (for straight blades) there are guide channels 7, passing through the entire body of the rotor (through passage) along its diametrical line and isolated from the intra-rim space (and from each other, with two intersecting blades), with the exception of the central part, within the inner rim of the hollow shaft 4 (by the amount of stroke of the blade). This space can be isolated at a certain level of the hollow shaft 4 of the control unit by the housing cover 18, this makes it possible to further isolate the channels from the near-axial space subject to liquid lubrication (where the elements of the control unit are located). On the outer rim surface of the rotor 2 there are channel openings for the blades 5, 6 to exit into the functional cavity 8. Channel 7 also has a seal with a blade, which does not allow the RT to flow along it (not shown). The rim 16, associated with the rear (in the direction of rotation) wall of the channel, is somewhat smoothed.
Лопатка (фиг. 1, 2) представляет собой прямую 5 или изогнутую 6 (постоянного рационального радиуса больше радиуса ротора) пластину. Лопатка 5 либо проходит через все тело ротора 2 (по диагональной линии), либо расположена тангенциально в теле ротора (не показано). Противоположные стороны прямой лопатки 5, примыкающие к торцам, в процессе вращения ротора 2, выдвигаются в функциональную полость 8. Торцовые грани прямой 5 и изогнутой лопатки 6 могут быть прямыми или профильными, как кольцеобразный выступ 17. Опорная части прямой 5 и изогнутой 6, всегда будут кратно больше выдвинутой в функциональную полость 8. В средней части прямой лопатки бив соответственном месте изогнутой лопатки 6, на длинном торце выбранной стороны, имеется цилиндрический стержень 19 (штырь, шип, палец) или кольцо (не показано), на котором закреплены планки 20, входящие в пазы канала и прикрывающие канал (для прямой лопатки 5 - в пределах внутреннего обода полого вала ротора). Лопатки 5 (фиг. 4) (для ротора с двумя прямыми лопатками) расположены в теле ротора 2 (в каналах-направляющих 7) перпендикулярно друг другу и имеют вырез 21, обеспечивающий взаимное перемещение пересекающихся лопаток.The blade (Fig. 1, 2) is a straight 5 or curved 6 (of constant rational radius greater than the rotor radius) plate. The blade 5 either passes through the entire body of the rotor 2 (along a diagonal line), or is located tangentially in the rotor body (not shown). The opposite sides of the straight blade 5, adjacent to the ends, during the rotation of the rotor 2, extend into the functional cavity 8. The end faces of the straight 5 and curved blade 6 can be straight or profiled, like a ring-shaped protrusion 17. The supporting part of the straight 5 and curved 6 is always will be multiple times larger than the one extended into the functional cavity 8. In the middle part of the straight blade and in the corresponding place of the curved blade 6, on the long end of the selected side, there is a cylindrical rod 19 (pin, tenon, finger) or a ring (not shown), on which strips 20 are attached , entering the grooves of the channel and covering the channel (for a straight blade 5 - within the inner rim of the hollow rotor shaft). The blades 5 (Fig. 4) (for a rotor with two straight blades) are located in the body of the rotor 2 (in the guide channels 7) perpendicular to each other and have a cutout 21 that ensures the mutual movement of intersecting blades.
Выдвижное устройство (ВУ) (фиг. 1, 4) прямой лопатки 5 обеспечивает, согласованное с углом поворота ротора 2, движение лопатки 5, с возможностью выдвижения противоположных торцовых частей одной лопатки в различных местах рабочей полости (зоны) 13, в определенный момент вращения ротора 2, обеспечивая должное соприкосновение (прилегание) торца лопатки 5 с элементами уплотнения к профильной поверхности стенки 12. ВУ имеет в основе зубчато-кривошипный механизм, состоящий из вала ВУ 22, свободно закрепленного в корпусе (опора вала ВУ), кривошипа 23 вала ВУ и зубчатого колеса 24. Полый вал 4 ротора имеет, по внутреннему ободу, зубчатый венец 25, в зацепление которого входит зубчатое колесо 24 вала ВУ. Смещение зубчатого колеса 24 вала ВУ 22 (относительно оси ротора) определяет сторону наибольшего выдвижения лопаток 5 (возможен привод к зубчатому колесу 24 вала ВУ и от внешнего зубчатого венца полого вала 4 ротора, через соответствующие зубчатые колеса, размещенных в корпусе - не показано). Зубчатое колесо 24 вала ВУ 22 имеет диаметр и количество зубьев вдвое меньше, чем зубчатый венец 25 полого вала 4 ротора (соответствующее передаточное число). Рычаг кривошипа 23 ВУ соединен, в соответствующем месте, с элементом шарнира на торце лопатки. Шарнирное соединение может состоять из следующих элементов: рычага кривошипа 23 с проушиной (кольцом) 26 (с антифрикционной втулкой) и цилиндрического стержня 19 (штырь, шип), расположенного на длинном торце лопатки (фиг. 1, 2, 4), либо шипа рычага кривошипа и кольца на лопатке (не показано), либо проушины рычага и кольца на лопатке, соединенных пальцем, образуя шарнирное соединение (не показано). Длина рычага кривошипа 23, от осевой линии вала ВУ 22 до осевой линии отверстия проушины (кольца) 26, соответствует радиусу зубчатого колеса 24 вала ВУ (до средней линии). Внутреннее зацепление зубчатого колеса 24 вала ВУ с зубчатым венцом 25 полого вала 4 ротора обеспечивает вращение зубчатого колеса 24 (а также вала 22 ВУ и кривошипа 23) в направлении вращения ротора 2. При этом ось проушины 26 рычага кривошипа 23 будет всегда перемещаться (при вращении ротора) вдоль по определенной линии диаметра зубчатого венца 25 полого вала 4 ротора, от одного края к другому. Вдоль (параллельно) этой линии и размещен канал 7 в теле ротора 2 с лопаткой 5. При вращении ротора 2, рычаг кривошипа 23 ВУ, находящийся в шарнирной связи с лопаткой 5, начнет перемещать (возвратно-поступательно) последнюю вдоль канала на величину диаметра зубчатого венца 25 (средняя линия) полого вала 4 ротора. Данное ВУ, содержащее зубчато-кривошипный механизм, позволяет иметь лопатку 5, проходящую через все тело ротора 2 (по диагональной линии). Что ведет к кратному увеличении опорной части лопатки, чем выдвинутой. Для ротора, имеющего две лопатки (Фиг. 4, 5), ВУ будет индивидуально для каждой, и располагаться на противоположных торцовых сторонах ротора 2. При этом вал съема мощности (или согласующий вал) может входить в зацепление с наружным коническим зубчатым венцом полого вала ротора (не показано). Роторная машина, имеющая две лопатки 5 с одной рабочей полостью (фиг. 4, 5), позволяет увеличить количество рабочих ходов на оборот, а также реализовать два такта цикла одновременно в одном модуле (к примеру такт вытеснения, такт сжатия - расширения). Данный механизм ВУ обеспечивает, при минимальном диаметре ротора 2, максимальное значение опорной части лопаток (равное всегда почти диаметру ротора) и относительную максимальную величину этого выдвижения. На фиг. 1 показан случай, когда вал ВУ 22 выполняет еще и функцию согласовывающего вала, обеспечивающего совместное вращение роторов смежных модулей.The retractable device (ED) (Fig. 1, 4) of the straight blade 5 provides, coordinated with the angle of rotation of the rotor 2, the movement of the blade 5, with the possibility of extending the opposite end parts of one blade in different places of the working cavity (zone) 13, at a certain moment of rotation rotor 2, ensuring proper contact (adhesion) of the end of the blade 5 with the sealing elements to the profile surface of the wall 12. The VU is based on a gear-crank mechanism consisting of a shaft VU 22, loosely fixed in the housing (support of the VU shaft), a crank 23 of the VU shaft and a gear wheel 24. The hollow shaft 4 of the rotor has, along the inner rim, a gear rim 25, which engages the gear wheel 24 of the VU shaft. The displacement of the gear wheel 24 of the VU shaft 22 (relative to the rotor axis) determines the side of greatest extension of the blades 5 (drive to the gear wheel 24 of the VU shaft and from the external ring gear of the hollow rotor shaft 4 is possible, through the corresponding gear wheels located in the housing - not shown). The gear wheel 24 of the shaft VU 22 has a diameter and the number of teeth is half that of the ring gear 25 of the hollow shaft 4 of the rotor (the corresponding gear ratio). The crank lever 23 VU is connected, in the appropriate place, to the hinge element at the end of the blade. The hinge joint may consist of the following elements: a crank lever 23 with an eye (ring) 26 (with an anti-friction sleeve) and a cylindrical rod 19 (pin, tenon) located on the long end of the blade (Fig. 1, 2, 4), or a lever tenon a crank and a blade ring (not shown), or a lever eye and a blade ring connected by a pin to form a hinge joint (not shown). The length of the crank lever 23, from the center line of the shaft 22 to the center line of the hole of the eye (ring) 26, corresponds to the radius of the gear wheel 24 of the shaft 24 (to the center line). The internal engagement of the gear wheel 24 of the VU shaft with the gear rim 25 of the hollow shaft 4 of the rotor ensures rotation of the gear wheel 24 (as well as the shaft 22 of the VU and the crank 23) in the direction of rotation of the rotor 2. In this case, the axis of the eye 26 of the crank lever 23 will always move (during rotation rotor) along a certain line of the diameter of the ring gear 25 of the hollow shaft 4 of the rotor, from one edge to the other. Channel 7 is located along (parallel) to this line in the body of rotor 2 with blade 5. When rotor 2 rotates, the crank lever 23 VU, which is in articulated connection with blade 5, will begin to move (reciprocating) the latter along the channel by the amount of the gear diameter crown 25 (middle line) hollow shaft 4 rotor. This VU, containing a gear-crank mechanism, allows you to have a blade 5 passing through the entire body of the rotor 2 (along a diagonal line). Which leads to a multiple increase in the supporting part of the blade than the extended one. For a rotor with two blades (Fig. 4, 5), the VU will be individual for each, and will be located on opposite end sides of the rotor 2. In this case, the power removal shaft (or matching shaft) can engage with the outer bevel gear of the hollow shaft rotor (not shown). A rotary machine having two blades 5 with one working cavity (Fig. 4, 5) makes it possible to increase the number of working strokes per revolution, as well as to implement two cycle strokes simultaneously in one module (for example, a displacement stroke, a compression-expansion stroke). This VU mechanism provides, with a minimum rotor diameter 2, the maximum value of the supporting part of the blades (always equal to almost the rotor diameter) and the relative maximum value of this extension. In fig. 1 shows the case when the shaft 22 also performs the function of a matching shaft, ensuring joint rotation of the rotors of adjacent modules.
В выдвижных устройствах (фиг. 2) модулей с двумя и более рабочими полостями 13 (где в каналах в теле ротора тангенциально расположены изогнутые лопатки 6, с постоянным радиусом кривизны больше радиуса ротора), головка шатуна 27 ВУ имеет шарнирное соединение с цилиндрическим стержнем 19, расположенным на длинном изогнутом торце лопатки в соответствующем месте, и планки, закрепленной на стержне и прикрывающую открытую для хода шарнира сторону канала. Зубчатое колесо вала ВУ входит в зацепление зубчатого венца на неподвижном корпусе (не показано, привод ВУ как у прототипа). Возможно кратное соотношение рабочих полостей и лопаток (две полости-четыре лопатки), и не кратное (две полости - три лопатки), как у прототипа. Валы ВУ 22 могут проходить через тело ротора 2. Кривошипы 23 располагаются над лопатками внутри обода, с торцовых сторон ротора. Для ротора, имеющего четыре лопатки, кривошипы 23 противоположных лопаток располагаются на одной стороне, а смежные на другой стороне торца ротора 2. У ротора с тремя лопатками возможно расположение кривошипов на одной стороне торца ротора. Кривошип 23 с одного вала ВУ может использоваться (быть общим) для лопаток смежных роторов одного отдела для синхронного выдвижения лопаток. Максимальный вылет лопатки 6 может быть, как при максимальном вылете шатуна 27, так и при минимальном. ВУ обеспечивает выход изогнутой лопатки в рабочую полость как выпуклой, так и вогнутой гранью по направлению вращения, также и с учетом стороны меньшего или большего давления рабочего тела.In retractable devices (Fig. 2) of modules with two or more working cavities 13 (where curved blades 6 are located tangentially in the channels in the rotor body, with a constant radius of curvature greater than the radius of the rotor), the head of the connecting rod 27 VU has a hinged connection with a cylindrical rod 19, located on the long curved end of the blade in the appropriate place, and a strip attached to the rod and covering the side of the channel open for the hinge to move. The gear wheel of the VU shaft engages the ring gear on the stationary housing (not shown, the VU drive is the same as in the prototype). It is possible to have a multiple ratio of the working cavities and blades (two cavities - four blades), and not a multiple (two cavities - three blades), as in the prototype. The shafts of the VU 22 can pass through the body of the rotor 2. The cranks 23 are located above the blades inside the rim, on the end sides of the rotor. For a rotor with four blades, the cranks 23 of the opposite blades are located on one side, and the adjacent ones are located on the other side of the end of the rotor 2. For a rotor with three blades, the cranks can be located on one side of the rotor end. The crank 23 from one shaft VU can be used (to be common) for the blades of adjacent rotors of the same section for synchronous extension of the blades. The maximum overhang of the blade 6 can be either at the maximum overhang of the connecting rod 27 or at the minimum. The VU ensures that the curved blade exits into the working cavity with both a convex and concave edge in the direction of rotation, also taking into account the side of lower or higher pressure of the working fluid.
В двигателе возможно размещение модулей не на одном валу. Это позволяет более полно и рационально использовать объем, выделенный для размещения силовой установки, что повышает его компактность и улучшает доступность при ремонте и обслуживании. А также иметь наиболее выгодное соединение модулей, связывающими трубопроводами 28, что уменьшает газодинамические потери. Модули могут быть расположены относительно произвольно в пространстве, причем даже в разных плоскостях и согласуются между собой посредством зубчатых колес и валов (а в отдельных случаях цепной и ременной передачей), с применением шарнира равных угловых скоростей.It is possible to place modules on more than one shaft in the engine. This allows for more complete and efficient use of the volume allocated for the placement of the power plant, which increases its compactness and improves accessibility for repair and maintenance. And also have the most advantageous connection of modules connecting pipelines 28, which reduces gas-dynamic losses. The modules can be located relatively arbitrarily in space, even in different planes, and are coordinated with each other through gears and shafts (and in some cases, chain and belt drives), using a constant velocity joint.
В двигателе допускается возможность иметь модули с разной частотой вращения, с учетом того, что частота вращения данного модуля будет обратно пропорционально объемам последующего или предыдущего по такту модуля. И рассчитанное количество РТ, проходящего через модули, за время общего такта, не меняется. Отсюда и подбор объема секций, с условием их последовательности и протекания в них соответствующего количества РТ согласно циклу.It is possible to have modules with different rotation speeds in the engine, taking into account that the rotation speed of a given module will be inversely proportional to the volumes of the next or previous module in the cycle. And the calculated amount of RT passing through the modules during the total cycle does not change. Hence the selection of the volume of sections, with the condition of their sequence and the flow of the appropriate amount of RT in them according to the cycle.
Нефункциональные объемы внутри обода роторных машин могут иметь избыточное давление, соизмеримое с давлением рабочего тело (даже, возможно, того же газа). Внутриободное избыточное давление, в значительной мере, препятствует прорыву газов из рабочей зоны внутрь ротора и позволяет упростить уплотнения в двигателе.Non-functional volumes inside the rim of rotary machines can have excess pressure commensurate with the pressure of the working fluid (even, possibly, the same gas). Intra-rim excess pressure significantly prevents the breakthrough of gases from the working area into the rotor and makes it possible to simplify the seals in the engine.
Порядок работы роторной машины (с прямыми лопатками) в качестве двигателя (фиг. 3) следующий: при вращении ротора 2, ВУ организует, согласованное с углом поворота ротора, выдвижения лопатки 5 в функциональную полость 8, обеспечивая должное прилегание торца лопатки (с элементами уплотнения) к профильной поверхности стенки 12 функциональной полости. И с возможностью нахождения, в одной и той же функциональной полости 8, одновременно противоположных торцовых частей лопатки 5. Рабочее тело через впускное окно 9 поступает в функциональную полость 8. Выдвинутая левая торцовая часть лопатки 5, в рабочей зоне 13, воспринимая давление рабочего тела задней гранью, приводит во вращательное движение ротор 2, а передней гранью выталкивает РТ предыдущего такта в выпускное окно 10. По мере вращения ротора 2, правая (противоположная) торцовая часть лопатки 5, находясь в той же функциональной полости 8, начинает проходить зону 14 впускного окна. При дальнейшем вращении ротора 2, в момент, когда левая торцовая часть лопатки еще не вышла в зону 15 выпускного окна, противоположная уже прошла зону 14 впускного окна и торцовой гранью контактирует с профильной стенкой 12 рабочей зоны (полости) 13 функциональной полости. И с этого момента уже правая торцовая часть лопатки 5 начинает воспринимать давление рабочего тела и совершать работу. А рабочее тело, заключенное между выдвинутыми частями лопатки, будет изолировано в рабочей полости (зоне) 13 на некоторое время (определенный момент), не допуская при этом сквозного перетекания рабочего тела через функциональную полость 8. В дальнейшем, левая торцовая часть лопатки, задвигаясь, переходит в зону 15 выпускного окна, и уже правая торцовая часть лопатки, передней гранью, начинает выталкивать рабочее тело в выпускное окно 10. Левая торцовая часть лопатки, полностью задвинувшись, затем заходит в зону перехода 11. В последующем (пройдя переход 11) данная часть лопатки 5 снова входит в функциональную полость, и процесс повторяется, обеспечивая равномерное вращательное движение главному рабочему элементу - ротору.The order of operation of a rotary machine (with straight blades) as an engine (Fig. 3) is as follows: when the rotor 2 rotates, the VU organizes, consistent with the angle of rotation of the rotor, the extension of the blade 5 into the functional cavity 8, ensuring proper fit of the end of the blade (with sealing elements ) to the profile surface of the wall 12 of the functional cavity. And with the possibility of simultaneously finding, in the same functional cavity 8, opposite end parts of the blade 5. The working fluid through the inlet window 9 enters the functional cavity 8. The extended left end part of the blade 5, in the working area 13, receiving the pressure of the working fluid at the rear edge, sets the rotor 2 into rotational motion, and with the front edge pushes the RT of the previous stroke into the outlet window 10. As the rotor 2 rotates, the right (opposite) end part of the blade 5, being in the same functional cavity 8, begins to pass the zone 14 of the inlet window . With further rotation of the rotor 2, at the moment when the left end part of the blade has not yet entered the zone 15 of the outlet window, the opposite one has already passed the zone 14 of the inlet window and the end face is in contact with the profile wall 12 of the working zone (cavity) 13 of the functional cavity. And from this moment, the right end part of the blade 5 begins to perceive the pressure of the working fluid and perform work. And the working fluid, enclosed between the extended parts of the blade, will be isolated in the working cavity (zone) 13 for some time (a certain moment), while preventing the working fluid from flowing through the functional cavity 8. Subsequently, the left end part of the blade, retracting, passes into the zone 15 of the outlet window, and the right end part of the blade, with its front edge, begins to push the working fluid into the outlet window 10. The left end part of the blade, having fully retracted, then enters the transition zone 11. Subsequently (after passing transition 11) this part blade 5 reenters the functional cavity, and the process is repeated, providing uniform rotational movement to the main working element - the rotor.
Порядок работы роторный машины с одной рабочей полостью и с двумя лопатками (фиг. 5) определяется тем, что в рабочей полости могут находится три торцовых частей двух лопаток (при осуществлении двух тактов в одном модуле). В рабочей полости (зоне) 13, между левой выдвинутой торцовой частью одной лопатки и последующей торцовой частью другой лопатки, изолированно рабочее тело. При дальнейшем вращении ротора, до достижения левой торцовой части первой лопатки выпускного окна 10, в следствии уменьшения объема, происходит сжатие рабочего тела (до нужного значения). А между выдвинутой торцовой частью второй лопатки и противоположной торцовой частью первой лопатки (уже прошедшей впускное окно), изолировано рабочее тело в заданном объеме. В дальнейшем повторяется (уже указанный) процесс сжатия рабочего тела. Это позволяет реализовать два разных такта цикла в одном модуле, на базе единой роторной машины (исключить один модуль). В определенных случаях, при построении двигателя на базе роторной машины с двумя лопатками, можно увеличить (удвоение) количество рабочих тактов, при этом рабочая зона 13 сужена на участке наибольшего объема. Порядок работы роторной машины с двумя (и более) рабочими полостями и тангенциально расположенными криволинейными лопатками аналогичен прототипу.The operating order of a rotary machine with one working cavity and two blades (Fig. 5) is determined by the fact that the working cavity can contain three end parts of two blades (when performing two strokes in one module). In the working cavity (zone) 13, between the left extended end part of one blade and the subsequent end part of the other blade, the working fluid is isolated. With further rotation of the rotor, until the left end part of the first blade of the outlet window 10 is reached, due to a decrease in volume, the working fluid is compressed (to the desired value). And between the extended end part of the second blade and the opposite end part of the first blade (which has already passed the inlet window), the working fluid is isolated in a given volume. Subsequently, the (already indicated) process of compression of the working fluid is repeated. This allows you to implement two different cycle strokes in one module, based on a single rotary machine (exclude one module). In certain cases, when building an engine based on a rotary machine with two blades, it is possible to increase (double) the number of working strokes, while the working area 13 is narrowed in the area of the largest volume. The operating procedure of a rotary machine with two (or more) working cavities and tangentially located curved blades is similar to the prototype.
Построение двигателя, как комбинации нескольких модулей-секций (на базе роторной машины), с подобранными параметрами и соответственными зонами нагрева и охлаждения, каждый из которых реализует определенный такт цикла, позволяет задать любой (замкнутый, открытый) термодинамический цикл его работы, к примеру: Стирлинга, Эриксона и т.д. (с учетом параметров рабочего тела, конструкционных материалов и используемого топлива). И ограниченны только рациональностью и здравым смыслом, что показывает гибкость данной конструкции. При построении двигателя, состоящего из модулей на базе роторных машин с выдвигающимися лопатками и (или) Ванкеля, возможно иметь модули с другим типом роторных машин, как объемного, так и динамического действия (расширения, вытеснения, сжатия). Для определенных тактов рациональнее использовать роторно-шестеренчатые машины (внешнего, внутреннего зацепления), роторно-винтовые (цилиндрический и конусный Лисхольм) и турбины. Все указанные типы роторных машин способны поддерживать непрерывное, равномерное и однонаправленное движение РТ в двигателе, и обеспечивают сквозное прохождение РТ через модуль, что позволяет значительно уменьшить зависимость от мертвых объемов. Двигатель с внешним подводом теплоты замкнутого цикла (фиг. 1, 6) составлен из модулей (секций) Si (где i=1, 2…k.), где определенный модуль может содержать роторную машину с выдвигающимися лопатками. И, соответственно, имеет функциональную полость определенного (условного) объема Vi,. При этом другие модули, осуществляющие определенные такты, могут содержать роторные машины других типов. Двигатель состоит из двух, четко разделенных зон. Одна - нагревается (горячая) Dh, а другая - охлаждается (холодная) Dc. Участки корпуса и ротора, принадлежащие к разным частям, теплоизолированы и разнесены в пространстве друг от друга. Выпускные окна 10 полостей одной секции (Si) последовательно соединены трубопроводами 28 с впускными окнами 9 другой Si+1 (последующей по циклу). Подвод тепла к рабочему телу происходит в нагревателе Н от любого источника тепла (в представленном двигателе - горелки). Охлаждение рабочего тела осуществляется в холодильнике С, посредством охлаждающей жидкости (или другим способом), с последующим отводом тепла через радиатор (Rd). Нагрев и охлаждение, также могут захватывать стенки модулей, в соответствии с расположением последних в определенных зонах двигателя. В определенном месте (в соответствии с термодинамическим циклом), в разрез трубопроводов 28 противонаправленных потоков рабочего тела, вставлены теплообменники НС, рекуператор, или дисковый регенератор (не показано). Для регулировки мощности, совместно с изменением интенсивности выделения тепла нагревателем, служит золотник Z, управляемый посредством штока и перепускной канал, соединяющий выпускной трубопровод секции S1 с впускным, или даже с впускным трубопроводом секции S4. Выдвигаясь, при регулировании, золотник отсекает часть потока рабочего тела, выходящего из модуля холодного отдела и следующего в горячий, возвращая эту часть потока во входящий трубопровод данного модуля, или во входящий трубопровод первого модуля (S4) холодной части двигателя. Тем самым определяется количество рабочего тела, проходящего через зону нагрева, что и, соответственно, влияет на изменение мощности с высокой степенью реакции. Это действие выполняет и дроссель Dr, кроме того, он может участвовать в пуске двигателя для повышения давления на соответствующем участке системы. Также для регулирования (повышение мощности) можно использовать ресивер (не показано), из которого, в нужный момент, определенное количество РТ поступает в систему (с последующим возвратом при установившимся режиме или снижении мощности). Подвод воздуха к горелкам (для источников тепла, требующих окислитель) может происходит посредством нагнетателя, через теплообменник НСа, который встроен в противонаправленные каналы подвода воздуха и отвода отработанных газов. Такая обвязка, с подогревом подводимого воздуха к горелкам, позволяет уменьшить тепловые потери. На фиг. 6 показан пример возможного построения двигателя, реализующего цикл Стирлинга, который, на всех этапах цикла, использует только газообразное рабочее тело, с четырьмя модулями и с использованием рекуператора. Каждая часть двигателя (горячая, холодная) состоит из двух модулей (секций) Si разного типа роторных машин. Количество РТ, проходящего через каждый модуль (с любым типом роторной машины) за такт, равное (в установившимся режиме). Такт расширения наиболее рационален для роторной машины с выдвигающимися лопатками или роторной машины Ванкеля. Относительно длительный такт (почти на порядок продолжительнее поршневой машины) позволяет более полно использовать энергию РТ. Так модули S3 и S4 содержат роторную машину с выдвигающимися лопатками (или машину Ванкеля), имеют равный условный объем V, и расположены в «горячем» и «холодном» отделе двигателя соответственно. Такт сжатия (компрессия) и вытеснения целесообразнее осуществлять малообъемными модулями с двумя выдвигающимися лопатками, роторно-шестеренными машинами или роторной машиной Ванкеля, с пропорционально большими оборотами, чем модуль расширения (с одной лопаткой). Они обеспечивают сжатие РТ на выходе модуля малыми порциями (тактами на порядок короче такта предыдущего модуля), и с незначительным отличием температуры выхода от температуры входа. А это ведет к увеличению КПД теплообменника (и в целом КПД двигателя). И если модуль S1 (холодный отдел) создан на базе малообъемной роторной машины с двумя выдвигающимися лопатками (с пропорционально повышенными оборотами) и условным объемом Vx, то он выполняет функции вытеснения и компрессии. Тем самым, в определенных случаях, данный модуль может и совмещать функции вытеснения модуля S4 (и замещать последний) и выполнять (следующим тактом) функции компрессора (два смежных такта в одном модуле). А модуль S2 (горячий отдел, реализующий такт вытеснения) предпочтительней строить на базе роторно-шестеренных или роторно-винтовых машин, с определенными параметрами и оборотами (с учетом прохождения равного количества РТ за такт через модули). Прохождение рабочего тела показано на схеме, а в рабочей полости - описан выше (описание работы). Возможны различные комбинации с модулями согласно выбранного цикла (включающего или исключающего определенные такты, и соответственные им модули), на базе указанных роторных машин (шестеренные, винтовые, турбо), которые имеют относительно малые габариты, отличаются надежностью и относительно простым устройством.Constructing an engine as a combination of several module sections (based on a rotary machine), with selected parameters and corresponding heating and cooling zones, each of which implements a certain cycle stroke, allows you to set any (closed, open) thermodynamic cycle of its operation, for example: Stirling, Erikson, etc. (taking into account the parameters of the working fluid, construction materials and fuel used). And they are limited only by rationality and common sense, which shows the flexibility of this design. When building an engine consisting of modules based on rotary machines with retractable blades and (or) Wankel, it is possible to have modules with another type of rotary machines, both volumetric and dynamic action (expansion, displacement, compression). For certain cycles, it is more rational to use rotary gear machines (external, internal gearing), rotary screw machines (cylindrical and conical Lysholm) and turbines. All of these types of rotary machines are capable of maintaining continuous, uniform and unidirectional movement of the RT in the engine, and ensure end-to-end passage of the RT through the module, which can significantly reduce the dependence on dead volumes. An engine with an external closed-cycle heat supply (Fig. 1, 6) is composed of modules (sections) Si (where i=1, 2...k.), where a certain module may contain a rotary machine with retractable blades. And, accordingly, it has a functional cavity of a certain (conditional) volume Vi,. Moreover, other modules that perform certain cycles may contain rotary machines of other types. The engine consists of two, clearly separated zones. One is heated (hot) Dh, and the other is cooled (cold) Dc. Sections of the housing and rotor belonging to different parts are thermally insulated and spaced apart from each other. The outlet windows 10 of the cavities of one section (Si) are connected in series by pipelines 28 with the inlet windows 9 of another Si+1 (the next one in the cycle). Heat is supplied to the working fluid in heater H from any heat source (in the presented engine, a burner). Cooling of the working fluid is carried out in refrigerator C, using coolant (or another method), followed by heat removal through a radiator (Rd). Heating and cooling can also affect the walls of the modules, in accordance with the location of the latter in certain areas of the engine. In a certain place (in accordance with the thermodynamic cycle), into the section of pipelines 28 counter-directional flows of the working fluid, HC heat exchangers, a recuperator, or a disk regenerator (not shown) are inserted. To regulate power, together with changing the intensity of heat generation by the heater, there is a valve Z, controlled by a rod, and a bypass channel connecting the outlet pipe of section S1 with the inlet pipe, or even with the inlet pipe of section S4. When extending, during regulation, the spool cuts off part of the flow of the working fluid leaving the cold section module and following into the hot one, returning this part of the flow to the incoming pipeline of this module, or to the incoming pipeline of the first module (S4) of the cold part of the engine. This determines the amount of working fluid passing through the heating zone, which, accordingly, affects the change in power with a high degree of reaction. This action is also performed by the Dr throttle; in addition, it can participate in starting the engine to increase the pressure in the corresponding section of the system. Also, for regulation (increasing power), you can use a receiver (not shown), from which, at the right moment, a certain amount of RT enters the system (with subsequent return at a steady state or a decrease in power). The air supply to the burners (for heat sources requiring an oxidizer) can occur through a supercharger, through an HCa heat exchanger, which is built into counter-directional channels for air supply and exhaust gas removal. Such piping, with heating of the air supplied to the burners, allows to reduce heat losses. In fig. Figure 6 shows an example of a possible construction of an engine that implements the Stirling cycle, which, at all stages of the cycle, uses only a gaseous working fluid, with four modules and using a recuperator. Each part of the engine (hot, cold) consists of two modules (sections) Si of different types of rotary machines. The amount of RT passing through each module (with any type of rotary machine) per cycle is equal (in steady state). The expansion stroke is most rational for a rotary machine with retractable blades or a rotary Wankel machine. A relatively long stroke (almost an order of magnitude longer than a piston machine) allows for more complete use of RT energy. Thus, modules S3 and S4 contain a rotor machine with retractable blades (or a Wankel machine), have an equal nominal volume V, and are located in the “hot” and “cold” sections of the engine, respectively. It is more expedient to carry out the compression (compression) and displacement stroke with low-volume modules with two retractable blades, rotary-gear machines or a Wankel rotary machine, with proportionally higher speeds than an expansion module (with one blade). They provide compression of the RT at the output of the module in small portions (cycles an order of magnitude shorter than the cycle of the previous module), and with a slight difference in the output temperature from the input temperature. And this leads to an increase in the efficiency of the heat exchanger (and in general the efficiency of the engine). And if the S1 module (cold section) is created on the basis of a low-volume rotary machine with two retractable blades (with proportionally increased speed) and a conventional volume Vx, then it performs the functions of displacement and compression. Thus, in certain cases, this module can both combine the functions of displacing the S4 module (and replace the latter) and perform (with the next cycle) the functions of a compressor (two adjacent cycles in one module). And the S2 module (the hot section that implements the displacement stroke) is preferably built on the basis of rotary-gear or rotary-screw machines, with certain parameters and speeds (taking into account the passage of an equal number of RTs per cycle through the modules). The passage of the working fluid is shown in the diagram, and in the working cavity is described above (description of work). Various combinations with modules are possible according to the selected cycle (including or excluding certain cycles and their corresponding modules), based on the specified rotary machines (gear, screw, turbo), which have relatively small dimensions, are reliable and have a relatively simple design.
Заявляемый двигатель с внешним подводом теплоты, также может быть в качестве паровой машины, и как двигатель, использующий смешанное двухкомпонентное рабочее тело (одно из которых меняет свою агрегатное состояние в течении цикла). И обладает более надежной, простой технологичной конструкцией, является более экономичным, с высокой удельной мощностью и КПД. А роторная машина, так же может использоваться и в качестве насоса или движителя.The inventive engine with external heat supply can also be used as a steam engine, and as an engine using a mixed two-component working fluid (one of which changes its state of aggregation during the cycle). And it has a more reliable, simple technological design, is more economical, with high power density and efficiency. A rotary machine can also be used as a pump or propulsion device.
Список обозначенийList of symbols
1 - корпус; 2 - ротор; 3 - вал ротора; 4 - полый вал ротора; 5 - лопатка прямая; 6 - лопатка изогнутая; 7 - каналы-направляющие; 8 - функциональная полость; 9 - впускное окно; 10 - выпускное окно; 11 - зона перехода (перегородка); 12 - профильная стенка; 13 - рабочая зона (полость); 14 - зона впускного окна; 15 - зона выпускного окна; 16 - обод ротора; 17 - кольцеобразный выступ; 18 - крышка полого вала ротора; 19 -цилиндрический стержень (штырь); 20 - защитная планка; 21 - вырез в лопатке; 22 - вал ВУ; 23 - кривошип ВУ; 24 - зубчатое колесо вала ВУ; 25 - зубчатый венец полого вала ВУ; 26 - проушина (кольцо); 27 - шатун; 28 - трубопроводы; Si - модуль (секция); Vi - условный объем; Dh - горячая часть двигателя; Dc -холодная часть двигателя; Н - нагреватель; С - холодильник; Rd - радиатор; НС теплообменник (рекуператор); НСа - теплообменник воздушный; Z - золотник; Dr - дроссель.1 - body; 2 - rotor; 3 - rotor shaft; 4 - hollow rotor shaft; 5 - straight blade; 6 - curved blade; 7 - guide channels; 8 - functional cavity; 9 - inlet window; 10 - outlet window; 11 - transition zone (partition); 12 - profile wall; 13 - working area (cavity); 14 - inlet window area; 15 - outlet window area; 16 - rotor rim; 17 - ring-shaped protrusion; 18 - cover of the hollow rotor shaft; 19 - cylindrical rod (pin); 20 - protective strip; 21 - cutout in the shoulder blade; 22 - VU shaft; 23 - VU crank; 24 - gear wheel of the VU shaft; 25 - gear ring of the VU hollow shaft; 26 - eye (ring); 27 - connecting rod; 28 - pipelines; Si - module (section); Vi - conditional volume; Dh - hot part of the engine; Dc - cold part of the engine; H - heater; C - refrigerator; Rd - radiator; NS heat exchanger (recuperator); HCA - air heat exchanger; Z - spool; Dr - throttle.
Claims (2)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2814331C1 true RU2814331C1 (en) | 2024-02-28 |
Family
ID=
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA857652A (en) * | 1968-04-18 | 1970-12-08 | Farkas Lajos | Curved vane motor |
| US4225293A (en) * | 1977-05-20 | 1980-09-30 | Lee Goh H | Rotary engine with arcuate sealing vanes |
| JPS60101250A (en) * | 1983-11-08 | 1985-06-05 | Masataka Nagahama | Rotary stirling engine |
| RU2454546C2 (en) * | 2010-08-18 | 2012-06-27 | Олег Георгиевич Чантурия | Rotary power converter and ice therewith |
| RU2625071C2 (en) * | 2015-12-18 | 2017-07-11 | Должикова Лидия Павловна | Rotary stirling engine |
| US9797339B2 (en) * | 2011-05-06 | 2017-10-24 | Glyn Evans | Hot-air engine |
| RU2731466C1 (en) * | 2019-05-15 | 2020-09-03 | Олег Георгиевич Чантурия | Rotary machine of power plant with external supply of heat (embodiments) |
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA857652A (en) * | 1968-04-18 | 1970-12-08 | Farkas Lajos | Curved vane motor |
| US4225293A (en) * | 1977-05-20 | 1980-09-30 | Lee Goh H | Rotary engine with arcuate sealing vanes |
| JPS60101250A (en) * | 1983-11-08 | 1985-06-05 | Masataka Nagahama | Rotary stirling engine |
| RU2454546C2 (en) * | 2010-08-18 | 2012-06-27 | Олег Георгиевич Чантурия | Rotary power converter and ice therewith |
| US9797339B2 (en) * | 2011-05-06 | 2017-10-24 | Glyn Evans | Hot-air engine |
| RU2625071C2 (en) * | 2015-12-18 | 2017-07-11 | Должикова Лидия Павловна | Rotary stirling engine |
| RU2731466C1 (en) * | 2019-05-15 | 2020-09-03 | Олег Георгиевич Чантурия | Rotary machine of power plant with external supply of heat (embodiments) |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4009573A (en) | Rotary hot gas regenerative engine | |
| RU2731466C1 (en) | Rotary machine of power plant with external supply of heat (embodiments) | |
| US4502284A (en) | Method and engine for the obtainment of quasi-isothermal transformation in gas compression and expansion | |
| EP1492940B1 (en) | Scroll-type expander having heating structure and steam engine employing the expander | |
| RU2439333C1 (en) | Rotary piston machine of volumetric expansion | |
| US4753073A (en) | Stirling cycle rotary engine | |
| US10309222B2 (en) | Revolving outer body rotary vane compressor or expander | |
| US5335497A (en) | Rotary Stirling cycle engine | |
| JPH05503334A (en) | rotary internal combustion engine | |
| US3744940A (en) | Rotary expansion engine of the wankel type | |
| JP6328634B2 (en) | Rotating expansion chamber device with adjustable working fluid port and system incorporating the same | |
| US4392351A (en) | Multi-cylinder stirling engine | |
| RU2814331C1 (en) | Rotary engine with external heat supply | |
| EP2920433B1 (en) | Rotary expander and cogeneration plant of electrical and heat energy comprising the rotary expander | |
| CN108699998B (en) | Rotary Stirling cycle apparatus and method | |
| US20090241536A1 (en) | Stirling Engine Having a Rotary Power Piston in a Chamber that Rotates with the Output Drive | |
| JP2006038251A (en) | Vibrational flow regeneration type heat engine | |
| US4621497A (en) | Heat engine | |
| US3994640A (en) | Spherical rotary steam engine | |
| RU2454546C2 (en) | Rotary power converter and ice therewith | |
| US3741694A (en) | Positive displacement rotary engine | |
| CN1156213A (en) | Rotary wheel type fluid function changing device | |
| EP1658417B1 (en) | Multicylinder barrel-type engine | |
| WO2003012257A1 (en) | A stirling machine utilizing a double action planetary machine | |
| RU2587506C2 (en) | Method of operating rotary-vane machine (versions) and rotary-vane machine |