Турбороторно-поршневой двигатель внешнего сгорания пустынцева

 

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: возвратно-поступательное движение поршня и возвратно-поступательное вращательное движение ротора, кинематически связанного с поршнем, преобразуются во вращательное движение внутреннего вала и через газ, воздействующий на турбину, во вращение наружного вала. Двигатель состоит из рабочего цилиндра 1, поршня 2 с ротором 3 внутри, турбины 10, закрепленной на валу 12. Поршень 1 и ротор 3 размещены на внутреннем валу 11. Цилиндр 1 сообщен с приводной полостью 20 компрессора 4. Рабочая полость компрессора 4 сообщается через регенератор с горячим пространством 21 цилиндра 1. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к гидравлическим и пневматическим транспортным машинам, и может быть использовано на морском и речном транспорте и в качестве стационарных двигателей в тепловых энергоустановках.

Известен односекционный роторно-поршневой двигатель (см. книгу Н.А. Иващенко, В.И. Ивина и др. "Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей", М.: Машиностроение, 1980, с. 264).

Недостатком данного двигателя является сложное планетарное движение ротора. Поэтому поверхности уплотнения и корпуса двигателя быстро изнашиваются. Наличие двух шестерен, эксцентрикового вала, маховиков-противовесов создает сложность конструкции.

Известен поршневой ДВС (см. патент РФ N 2006625, опубл. 1994). Недостатком данного двигателя является то, что он ДВС.

Известен также двигатель Стирлинга (см. книгу Г. Уокера "двигатели Стирлинга", М. : Машиностроение, 1985, 235), выбранный автором в качестве прототипа, состоящий из поршневой группы, включающей поршни и цилиндр, преобразующий механизм, состоящий из рабочих валов, ромбического привода, штоков поршней, картера.

Недостатком данного двигателя Стирлинга является наличие сложного робмического привода, состоящего из двух противоположно вращающихся валов, сцепленных другом с другом двумя шестернями, четырех шатунов и двух крейцкопфов, а это создает неудобство компоновки, сложную конструкцию картера, громоздкость.

Заявленное изобретение обеспечивает создание гидротурбин, роторно-поршневых, турбо-роторно-поршневых двигателей с внешним подводом тепла к приводной части, способных работать на любом топливе, компактных, экономичных, малошумных, с высоким КПД, экологически чистых.

Указанный результат достигается тем, что в трубо-роторно-поршневом двигателе внешнего сгорания (ТРПДВС) преобразование возвратно-поступательного движения поршня и возвратно-поступательное движения ротора, кинематически связанного с поршнем, размещенного внутри поршня соосно с ним на цилиндрическом рабочем валу, осуществляется наклонным кольцевым пазом на боковой поверхности ротора, со свободно размещенным в нем подшипником качения, насаженным на палец, жестко закрепленный в рабочем цилиндре, при этом вращательное движение ротора передается внутреннему цилиндрическому рабочему валу с помощью шариков, обкатывающихся по продольным пазам в цилиндрическом рабочем валу и центральном отверстии ротора, а возвратно-поступательное движение поршня, размещенного в рабочем цилиндре, преобразуется через газ и жидкость во вращательное движение наружного вала с помощью турбины, закрепленной на нем.

В приводной части двигателя отработавший горячий газ перед тем, как быть выброшенным в промежуточный охлаждаемый резервуар, проходит через регенератор и отдает ему все тепло. Сжатый же холодный газ, пропускаемый через регенератор, получает это тепло обратно перед тем, как попасть в рабочий цилиндр.

На фиг.1 представлен ТРПДВС, продольный разрез; на фиг.2 - развертка; на фиг.3 - переборка с направляющими лопатками.

Турбо-роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания (ТРПДВС) состоит из рабочего цилиндра 1, поршня 2, ротора 3, компрессора 4, всасывающего клапана 5, нагнетательного клапана 6, промежуточного резервуара 7, регенератора 8, охладителя 9, турбины 10, вала ротора 11, вала турбины 12, нагревательных трубок 13, тепловых трубок 14.

Рабочий цилиндр 1 разделен двумя переборками 15 на роторно-поршневую полость 16, турбинную полость 17, буферную полость 18, сообщенную каналом 19 с приводной полостью 20 компрессора 4.

Поршень 2 установлен в роторно-поршневой полости 16 с возможностью возвратно-поступательного движения и делит роторно-поршневую полость 16 на горячее пространство 21 и холодное пространство 22.

Поршень 2 выполнен пустотелым с глухими отверстиями 23 в днище и продольным пазом 24 со свободно размещенным в нем подшипником 25, закрепленным на пальце 26, в свою очередь закрепленном в приливе 27 рабочего цилиндра 1, препятствующем проворачиванию поршня 2 вокруг своей оси. Поршень 2 связан с ротором 3 с помощью шариков 28, размещенных в беговых дорожках 29, выполненных с внутренней стороны юбки поршня 2, и на наружной боковой поверхности ротора 3.

Ротор 3 свободно размещен внутри поршня 2 с возможностью вращения и связан с поршнем 2 шариками 28, удерживающими ротор 3 от осевых и боковых перемещений в поршне 2. На наружной боковой поверхности ротора 3 выполнен кольцевой наклонный паз 30 со свободно размещенным в нем подшипником качения 31, насаженный на палец 26. Ротор 3 также размещен на валу 11 с возможностью возвратно-поступательного движения и удерживается от проворачивания на нем шариками 32, обкатывающимися по продольным пазам 33, выполненным в центральном отверстии 34 ротора 3 и на наружной боковой поверхности вала 11. Часть вала 1 проходит сквозь центральное отверстие в переборке 15, разделяющей роторно-поршневую полость 16 с турбинной полостью 17. Далее вал 11 проходит сквозь вал турбины 12, в свою очередь размещенный во втулке 35, сообщающейся с переборкой 15, разделяющей турбинную полость 17 и буферную полость 18 с наружной торцовой крышкой 36 рабочего цилиндра 1.

Турбина 10 жестко закреплена на валу 12 и размещена в турбинной полости 17 с возможностью вращения. Ротор турбины 10 снабжен рабочими лопатками 37. В переборках 15 выполнены секционно направляющие лопатки 38.

Компрессор 4 состоит из: охлаждаемого цилиндра 39 с клапанной крышкой 40, пустотелого поршня 41, разделяющего цилиндр 39 на приводную полость 20 и рабочую полость 42. Рабочая полость 42 сообщается с охлаждаемым промежуточным резервуаром 7, охладителем 9. Охладитель 9 сообщается с регенератором 8, который, в свою очередь, сообщается с горячим пространством 21 роторно-поршневой полости 16 рабочего цилиндра 1 нагревательными трубками 13, размещенными вместе с тепловыми трубками 14 в топке 43. Роторно-поршневая полость 16, турбинная полость 17, буферная полость 18 и приводная (часть) полость 20 компрессора 4 заполнены жидкостью или газом.

При работе ТРПДВС газ из промежуточного резервуара 7 и охладителя 9 через клапан 5 попадает в компрессор 4, сжимается и через клапан 6 выходит в промежуточный резервуар 7 и через охладитель 9, регенератор 8 и нагревательные трубки 13 попадает в пространство 21 в рабочем цилиндре 1 нагретым в нагревательных трубках 13 и продолжает нагреваться тепловыми трубками 14, находясь в горячем пространстве 21.

Здесь газ расширяется, совершая полезную работу, которая частично запасается в поднимаемом поршне 2, в поднимаемом и одновременно вращающемся роторе 3 и вращающемся роторе турбины 10, частично идет на сжатие холодного газа в компрессоре 4 и его перепуск через турбинную полость 17 и канал 19. Остальное - полезная работа. Опускаясь (двигаясь к ВМТ) под давлением вращающегося и перемещающегося вниз вместе с поршнем 2 ротора 3, поршень 2 выталкивает отработавший газ через нагревательные трубки 13, регенератор 8, охладитель 9 и клапан 5 в промежуточный резервуар 7. При этом в компрессор 4 засасывается свежая порция газа, охлажденного в охладителе 9 и в охлажденном промежуточном резервуаре 7.

В топке 43 система нагревательных трубок 13 и тепловых трубок 14 нагревается пламенем горящего топлива. Чтобы как можно полнее использовать теплоту продуктов сгорания, холодный воздух, подводящийся к топке 43, предварительно подогревается отработавшими газами в воздухонагревателе. Газ из промежуточного резервуара 7 и через клапан 6, через охладитель 9 и регенератор 8, нагреваемый в нагревательных трубках 13, попадает в горячее пространство 21, продолжая нагреваться тепловыми трубками 14, расширяясь, заставляет поршень 2 перемещаться к нижней мертвой точке (ВМТ), при этом через шарики 28 заставляет ротор 3 перемещаться вместе с поршнем 2. Подшипник 31, обкатываясь по наклонному кольцевому пазу 30, заставляет ротор 3 вращаться.

Вращение ротора 3 через шарики 32 в пазах 33 передается цилиндрическому валу 11. Газ, находящийся под давлением, из роторно-поршневой полости 16 перетекает через турбинную полость 17, буферную полость 18, при этом проходя секции направляющих лопаток 38 в переборке 15, воздействуя на рабочие лопатки 37 турбины 10, заставляет ее вращаться, перетекая через направляющие лопатки 38, поток спрямляется и через канал 19 перетекает в приводную полость 20 компрессора 4, воздействуя на пустотелый поршень 41, заставляет его двигаться к клапанной крышке 40. Находящийся в рабочей полости 42 сжатый газ через клапан 6 перепускается в промежуточный охлаждаемый резервуар 7, охладитель 9 и регенератор 8 через систему нагревательных трубок в горячее пространство 21. После прохождения ВМТ поршнем 2 и ротором 3, благодаря накопившейся энергии, ротор 3, продолжая вращаться, с помощью наклонного кольцевого паза 30 перемещается к ВМТ. За поршнем давление газа падает и он, перетекая из приводной полости 20 компрессора 4 через канал 19, буферную полость 18, турбинную полость 17, через направляющие лопатки 38, воздействуя на рабочие лопатки 37, заставляет ротор турбины 10 вращаться в первоначальном направлении. Поршень 41 перемещается в цилиндре 39 к каналу 19. Через клапан 5 в цилиндр 39 всасывается газ из промежуточного резервуара 7. В это же время поршнем 2 выталкивается отработавший газ через нагревательные трубки 13, регенератор 8, охладитель 9, открытый клапан 5 в промежуточный резервуар 7 и рабочий цикл повторяется. Холодное пространство 22 цилиндра 1, цилиндр 39 компрессора 4, промежуточный резервуар 7 охлаждается водой, прокачиваемой через каналы в стенках.

ТРПДВС может быть использован как автономно работающий двигатель-цилиндр в многоцилиндровых главных модульных двигателях с вертикальным расположением двигателей-цилиндров, рабочим валом вверх на морских судах и кораблях.

Формула изобретения

1. Турбороторно-поршневой двигатель внешнего сгорания, содержащий рабочий цилиндр с нагревательными трубками, поршень, установленный в цилиндре с образованием горячей и холодной полостей переменного объема, рабочие валы, нагреватель (топка), охладитель и регенератор, сообщающийся с нагревательными трубками, при этом рабочие полости двигателя заполнены газом, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен тепловыми трубками, ротором, размещенным внутри поршня на цилиндрическом рабочем валу с возможностью возвратно-поступательного и вращательного движений, компрессором, ось цилиндра которого расположена параллельно оси рабочего цилиндра двигателя, турбиной с пустотелым валом, размещенных в рабочем цилиндре двигателя на рабочем валу соосно поршню и ротору, и промежуточным резервуаром, сообщенным через нагнетательный и всасывающий клапаны с рабочей полостью компрессора, при этом в днище поршня выполнены глухие отверстия, а на его боковой поверхности - сквозной продольный паз, на боковой поверхности ротора выполнен наклонный кольцевой паз, на боковой поверхности рабочего цилиндра, в приливе закреплен палец с двумя подшипниками качения, один из которых входит в продольный паз поршня, фиксируя его от проворачивания вокруг оси, а другой свободно размещен в кольцевом пазу ротора, ротор удерживается от проворачивания на цилиндрическом рабочем валу при помощи шариков, свободно размещенных в продольных пазах, выполненных в центральном отверстии ротора и на боковой поверхности цилиндрического рабочего вала, а холодная полость рабочего цилиндра разделена двумя переборками с секциями направляющих лопаток на роторно-поршневую, турбинную и буферную полости, последняя из которых сообщена каналом с приводной полостью компрессора.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что на внутренней стороне днища поршня нанесен слой термоизоляции.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3