Роторная расширительная машина

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, а именно к тепловым двигателям. Роторная расширительная машина содержит корпус, имеющий внутреннюю цилиндрическую полость с подводящим и отводящим рабочее тело каналами, заслонку, разобщающую подводящий и отводящий рабочее тело каналы и шарнирно установленную в корпусе, ротор. Ротор имеет форму цилиндра с выступом цилиндрической формы. Наружная цилиндрическая поверхность выступа ротора выполнена концентрично к основной цилиндрической поверхности ротора. Переход от основной цилиндрической поверхности ротора к выступу и обратно выполнен при помощи скругления. Шарнир заслонки имеет ограничитель, препятствующий ее контакту с цилиндрической поверхностью ротора. В цилиндрическую поверхность выступа ротора и заслонку установлены постоянные магниты, направленные к друг другу одноименными полюсами. Между внутренней цилиндрической поверхностью корпуса, цилиндрической поверхностью выступа ротора, цилиндрической поверхностью ротора и заслонкой, плоскими торцевыми поверхностями ротора и его корпуса обеспечивается минимально возможный гарантированный зазор. Изобретение направлено на устранение значительной силы трения, которая возникает между заслонкой и ротором, на преодоление которой затрачивается значительная механическая работа. 2 ил.

 

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, и может быть использовано в качестве теплового двигателя для привода различных устройств.

Роторные расширительные машины, использующиеся в качестве тепловых двигателей, известны достаточно давно. С момента создания первой универсальной паровой машины с кривошипно-шатунным механизмом предпринимались неоднократные попытки их усовершенствовать. Усовершенствования паровой машины, главным образом, заключались в замене ее расширительного устройства с кривошипно-шатунным механизмом роторным, который лишен общеизвестных его недостатков.

В практике создания роторных расширительных машин первыми были известные конструкции Д. Уатта, Годсона, Н.Н. Тверского. Обзор роторных машин Д. Уатта, Годсона, H. Н. Тверского и др. приведен в записках Императорского русского технического общества в 1885 году, где они позиционировались, как коловратные. Выдержки из материалов Императорского русского технического общества от 1885 года приведены на веб сайте, доступном по адресу: http://www.rotor-motor.ru/page06.htm. В роторной машине Д. Уатта ротор, представляющий собой лопатку, помещен в корпус с внутренней цилиндрической полостью, который имеет один канал для подвода и один канал для отвода расширяемого рабочего тела (водяного пара). Для разобщения подводящего и отводящего канала предусмотрена заслонка, установленная между ними во внутренней цилиндрической полости корпуса расширительной машины. Заслонка верхним своим концом шарнирно закреплена в корпусе расширительной машины, а ее нижний торец упирается в ступичную цилиндрическую часть ротора. К недостаткам вышеприведенной роторной расширительной машины Д. Уатта следует отнести то, что рабочее тело, поступающее в ее внутреннюю цилиндрическую полость, одновременно действует на ротор и на заслонку. При этом заслонка со значительным усилием прижимается к ротору, вызывая значительной силой трения между контактирующими телами тормозящий эффект. В результате значительная доля механической работы, получаемой в результате расширения рабочего тела во внутренней цилиндрической полости расширительной машины Д. Уатта, теряется на механические потери. Кроме этого необходимо затратить значительную работу на открытие заслонки, которая открывается в результате контактного взаимодействия с ротором. Вышеуказанные недостатки не позволили успешно применить рассматриваемую роторную расширительную машину Д. Уатта на практике.

Второй тип роторной расширительной машины представляет собой устройство, в котором ротор, имеющий эллиптический профиль, помещен во внутреннюю цилиндрическую полость корпуса (машина Годсона, выбранная за прототип). Корпус рассматриваемой роторной расширительной машины Годсона имеет аналогичное устройство с корпусом роторной расширительной машиной Д. Уатта. Эллиптический профиль ротора машины Годсона призван уменьшить механические потери на открытие заслонки, разобщающей подводящий и отводящий рабочее тело каналы. Однако главный недостаток роторной расширительной машины Д. Уатта присущ и конструкции Годсона, а именно наличие значительной силы трения, которая возникает между заслонкой, разобщающей подводящий и отводящий рабочее тело каналы, и ротором. Этот факт также не позволил обеспечить широкое практическое применение машины Годсона несмотря на кажущуюся конструктивную простоту и очевидные преимущества роторной расширительной машины над поршневыми, имеющими кривошипно-шатунный механизм.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение отмеченных недостатков, а именно устранение значительной силы трения, которая возникает между заслонкой, разобщающей подводящий и отводящий рабочее тело каналы, и ротором, на преодоление которой затрачивается значительная механическая работа.

Поставленная задача достигается тем, что предлагаемая роторная расширительная машина содержит корпус, имеющий внутреннюю цилиндрическую полость с подводящим и отводящим рабочее тело каналами, заслонку, разобщающую подводящий и отводящий рабочее тело каналы, шарнирно установленную в корпусе, ротор, при этом ротор имеет форму цилиндра с выступом цилиндрической формы, наружная цилиндрическая поверхность выступа ротора выполнена концентрично к основной цилиндрической поверхности ротора, переход от основной цилиндрической поверхности ротора к выступу и обратно выполнен при помощи скругления, шарнир заслонки, разобщающей подводящий и отводящий рабочее тело каналы, имеет ограничитель, препятствующий ее контакту с цилиндрической поверхностью ротора, в цилиндрическую поверхность выступа ротора и заслонку, разобщающую подводящий и отводящий рабочее тело каналы, установлены постоянные магниты, направленные к друг другу одноименными полюсами, а между внутренней цилиндрической поверхностью корпуса, цилиндрической поверхностью выступа ротора, цилиндрической поверхностью ротора и заслонкой, разобщающей подводящий и отводящий рабочее тело каналы, плоскими торцевыми поверхностями ротора и его корпуса обеспечивается минимально возможный гарантированный зазор.

На фиг. 1 изображена конструкция роторной расширительной машины. На фиг. 2 изображено положение роторной расширительной машины в момент открытия заслонки, разобщающей подводящий и отводящий рабочее тело каналы.

Во внутренней цилиндрической полости корпуса 1, имеющего канал для подвода рабочего тела 3 и канал для его отвода 4, установлен ротор 2 с выступом цилиндрической формы. Ротор 2 с цилиндрическим выступом соединен с выходным валом роторной расширительной машины (не показан). Заслонка 5, разобщающая канал для подвода рабочего тела 3 и канал для его отвода 4, установлена в шарнир 6, который в свою очередь располагается в корпусе 1. На шарнире 6 заслонки 5, разобщающей канал для подвода рабочего тела 3 и канал для его отвода 4, имеется фрезерованная площадка, в которую упирается ограничитель в виде регулируемого упора 7. В заслонке, разобщающей канал для подвода рабочего тела 3 и канал для его отвода 4, установлен постоянный магнит 8, а в выступе цилиндрической формы ротора 2 - постоянный магнит 9.

Роторная расширительная машина работает следующим образом.

Газообразное рабочее тело по каналу для его подвода 3 от газораспределительного золотника (не показан) поступает во внутреннюю цилиндрическую полость корпуса 1, где между заслонкой, разобщающей канал для подвода 3 и отвода рабочего тела 4 соответственно, и выступом цилиндрической формы ротора 2 образован замкнутый объем расширения. В вышеуказанном замкнутом объеме расширения рабочее тело начинает расширяться. При этом ротор 2 с цилиндрическим выступом начинает совершать вращательное движение во внутренней цилиндрической полости корпуса 1. При совершении вращательного движения ротором 2 с цилиндрическим выступом генерируется полезная работа, которая при помощи вала, установленного в нем (не показан), передается потребителю. Во внутренней цилиндрической полости корпуса 1 между цилиндрическим выступом ротора 2, каналом для отвода рабочего тела 4 и заслонкой 5 образуется объем, заполненный отработанным в предыдущем цикле рабочим телом. Из указанного объема отработанное в предыдущем цикле рабочее тело цилиндрическим выступом ротора 2 при его вращении вытесняется в канал для его отвода 4. Давление рабочего тела в замкнутом объеме расширения всегда выше, чем в канале для его отвода 4. Этим условием гарантируется закрытое положение заслонки, разобщающей канал для подвода рабочего тела 3 и канал для его отвода 4. Шарнир 6 заслонки 5, разобщающей канал для подвода рабочего тела 3 и канал для его отвода 4 (когда последняя находится в закрытом положении), своей фрезерованной площадкой контактирует с регулируемым упором 7. Контактом шарнира 6 с регулируемым упором 7 обеспечивается гарантированный зазор между заслонкой 5, разобщающей канал для подвода рабочего тела 3, канал для его отвода 4, и цилиндрическим выступом ротора 2. При подходе цилиндрического выступа ротора 2 к заслонке 5, разобщающей канал для подвода рабочего тела 3 и канал для его отвода 4, установленные в них постоянные магниты 9 и 8 соответственно начинают взаимодействовать друг с другом своими одноименными полюсами. В результате взаимодействия постоянных магнитов 9 и 8 заслонка, разобщающая канал для подвода рабочего тела 3, канал для его отвода 4, открывается (фиг. 2), что обеспечивает беспрепятственный проход под ней цилиндрического выступа ротора 2. После прохода цилиндрического выступа ротора 2 под заслонкой 5, разобщающей канал для подвода рабочего тела 3 и канал для его отвода 4, под действием давления рабочего тела в канале для его подвода 3 заслонка 5, разобщающая канал для подвода рабочего тела 3 и канал для его отвода 4, закрывается. Далее цикл повторяется.

Заявленная роторная расширительная машина может быть использована в качестве теплового двигателя для привода различных устройств, где в качестве ее рабочего тела может быть использован перегретый водяной пар или перегретый пар органических хладагентов, воздух. Применение заявляемой роторной расширительной машины позволит создать энергетические комплексы для генерации тепловой и электрической энергии, работающие на любом органическом топливе.

Роторная расширительная машина, содержащая корпус, имеющий внутреннюю цилиндрическую полость с подводящим и отводящим рабочее тело каналами, заслонку, разобщающую подводящий и отводящий рабочее тело каналы и шарнирно установленную в корпусе, ротор, отличающаяся тем, что ротор имеет форму цилиндра с выступом цилиндрической формы, наружная цилиндрическая поверхность выступа ротора выполнена концентрично к основной цилиндрической поверхности ротора, переход от основной цилиндрической поверхности ротора к выступу и обратно выполнен при помощи скругления, шарнир заслонки, разобщающей подводящий и отводящий рабочее тело каналы, имеет ограничитель, препятствующий ее контакту с цилиндрической поверхностью ротора, в цилиндрическую поверхность выступа ротора и заслонку, разобщающую подводящий и отводящий рабочее тело каналы, установлены постоянные магниты, направленные к друг другу одноименными полюсами, а между внутренней цилиндрической поверхностью корпуса, цилиндрической поверхностью выступа ротора, цилиндрической поверхностью ротора и заслонкой, разобщающей подводящий и отводящий рабочее тело каналы, плоскими торцевыми поверхностями ротора и его корпуса обеспечивается минимально возможный гарантированный зазор.