RU1795237C - Теплоиспользующа криогенна газова роторна машина А.В.Чащинова - Google Patents

Abstract

Использование: холодильное машиностроение . Сущность: в контур роторного устройства введены детандер и нагреватель, что позвол ет расширить функциональные возможности машины. 3 з. п. ф-лы, 12 ил.

Description

Изобретение относитс  к машинострое- и может быть использовано дл  разработки устройств холодильной техники.

Теплоиспользующа  криогенна  газова  роторна  машина (ТКГМ) представл ет собой устройство, в котором совмещены в одйом агрегате холодильна  машина и тепловой двигатель, предназначенный дл  приводи криогенной газовой машины (КГМ) без промежуточного преобразовани  тепловой энергии в другие виды энергии. Применение ТКГМ  вл етс  весьма перспективным в ус- лов0 х дефицита электрической энергии и при наличии теплоты высокого потенциала, например на космических аппаратах и др.

Первое упоминание о ТКГМ относитс  к 1918 г., когда Р.Волюмье предложил устрой- CTBOj в котором замкнутый объем цилиндра разделен двум  вытеснител ми на три рабочие полости, регенераторы размещены в вытеснител х . штоки вытеснителей выведены через гор чую и холодную полости, что обуславливает малую надежность работы иХ сальников, а значит всего устройства в комплексе.

В 1939 г. В.Буш предложил конструктивную схему ТКГМ с р дным расположением цилиндров, основным недостатком которого  вл етс  участие в отводе теплоты

лишь той части газа, котора  протекает из одного вытеснительного узла в Другой.

Наибольшую известность получили ТКГМ, где применены угловые и оппозитные схемы; например, одноступенчата  ТКГМ на уровне 77° К, разработанна  в лаборатории фирмы Филипс (США), выполнена по оппо- зитной схеме с углом фазового сдвига вытеснителей около 90°, масса опытного образца, около б кг, частота вращени  вала 600 об/мин., полезна  холодопроизводитель-. ность 2 Вт при рабочем давлении 4,0 МПа.

Анализ аналогов и разработка конструкции предлагаемого устройства выполнены по известным источникам.

В качестве прототипа изобретени  прин та одноступенчата  ТКГМ на уровне 77° К, разработанна  в лаборатории фирмы Филипс (США), выполненна  по оп- позитной схеме с углом фазового сдвига вытеснителей около 90°. Дл  св зи вы- теснительных поршней с валом применен шатунно-кривошипный механизм. При рабочем давлении 3,0 МПа температура, К. в зоне:

- гор чей-1000

- промежуточной - 350

- холодной - 77

СО

С

VJ

Ю СЛ

го со XI

- потребл ема  мощность электрического нагревател , Вт - 115

- полезна  холодопроизводительность, Вт-1

-масса, кг-6.

Недостатком прототипа  вл етс  сложность конструкции, обусловленна  наличием шатунно-кривошипного механизма дл  привода поршней.

Целью изобретени   вл етс  упрощение конструкции ТКГМ за счет исключени  шатунно-кривошипного механизма в предложенном устройстве.

Предложенное устройство (ТКГМ) предназначено дл  получени  криогенных «температур , где рабочее тело, например - гелий, не измен ет в замкнутом контуре своего агрегатного состо ни , остава сь газообразным в любом процессе цикла. В основе действи  машины лежит термодинамический цикл, предложенный в 1916 г. Стерлингом, отличающийс  тем, что рабочее тело в процессе цикла не измен ет направлени  своего движени  (как в двигател х Стирлинга), но движетс  по замкнутому каналу в виде импульсов, что обуславливает отсутствие мертвых зон в газовом канале двигател  и ТКГМ, и, как следствие, возможность повышени  КПД всего устройства.,

Конструктивна  схема устройства, кроме рекуператора, св зывающего выход-вход , предусматривает установку рекуператора также в холодной зоне ТКГМ дл  св зи выход-вход детандера. Конструкции рекуператоров в предложенной ТКГМ не  вл ютс  предметом изобретени  и, следовательно , могут иметь решени , отличные от изложенных ниже в примерах, гду рекуператору двигател  выполнен в виде тепловой трубы, а рекуператор у детандера выполнен в виде труба в трубе.

3) предложенна  ТКГМ, одновременно с получением криогенных температур, дает механическую энергию на эксцентриковом валу внешним потребител м;

4) при установке на общем основании не менее двухпредложенныхТКГМ, соединении их эксцентриковых валов жёсткой св зью и определенной, завис щей от числа св занных ТКГМ. взаимной угловой установкой их роторов на валу (дл  двух ТКГМ угол между их роторами на валу равен 90°) обеспечиваетс  самопуск такого устройства.

5} соотношение объемов полостей расширени  и сжати  двигател  (гор ча  зона) и полостей детандера (холодна  зона) можно измен ть в требуемых по расчету пределах дл  обеспечени  заданной температуры охлаждени  рабочего тела в ТКГМ.

Сущность и новизна изобретени  заключаетс  в том, что в отличие от прототипа - одноступенчатой ТКГМ фирмы Филипс (США), выполненной по оппозитной схеме с углом фазового сдвига вытеснителей около 90°, где дл  св зи вытеснительных поршней с валом применен шатунно-кривошипный механизм, в предложенной ТКГМ;

Claims (4)

1) дл  упрощени  конструкции устрой- ства за счет исключени  шатунно-криво- шипного устройства, двигатель выполнен роторным с конхоидной формой рабочей камеры и двухвершинным ротор, дел щем рабочую камеру на две полости, а на входе детандера, по направлению потока рабочего тела в замкнутом газовом канале ТКГМ, установлен второй рекуператор, св зывающий вход и выход рабочего тела из детандера , передаточное отношение шестерен, установленных на крышке корпуса двигател  и ротора равно 1 : 2;

2) при необходимости увеличени  холо- допроизводительности ТКГМ, в первую очередь следует увеличить объем рабочей

камеры роторного двигател , что можно достигнуть увеличением ее длины, радиальных размеров, числа оборотов ротора в единицу времени. При увеличении длины камеры, а следовательно и длины ротора,

возникает необходимость усилени  механической св зи между ротором и корпусом двигател . Дл  этого введена втора  пара шестерен, равна  по параметрам первой паре , но установленна  на смежных торцовой

стороне ротора и второй крышке корпуса;

3) по п. 1 - с целью дополнительного охлаждени  ротора двигател , предусмотрено его охлаждение посредством охлаждающего тела, поступающего в каналы его эксцентрика (на котором установлен данный ротор) или от отдельного компрессора, или подключением каналов этого эксцентрика в замкнутый газовый контур ТКГМ;

4) дл  усилени  циркул ции рабочего тела (например - гели ) по замкнутому газовому контуру ТКГМ, на общее основание с двигателем установлен детандер, ротор которого посредством общего эксцентрикового вала св зан с ротором двигател , рабоча  камера детандера выполнена по конхоиде в радиальном направлении;

5) дл  обеспечени  уравновешиваемо- сти вращающихс  масс {ротора, шестерни

и др.), на общем основании устанавливают не менее двух ТКГМ таким образом, чтобы полюса конхоид их рабочих камер были расположены диаметрально противоположно к оси эксцентрикового вала, соответственно устанавливаютс  эксцентрики и

ротора на общем эксцентриковом валу устройства .

Пример 1. На фиг. 1 изображена конструктивна  схема теплоиспользующей криогенной газовой роторной машины в трех проекци х А, Б. В, где: на фиг. 1А - вид сбоку; на фиг 1Б - вид вдоль оси эксцентрикового вала (в разрезе); а на фиг. 1В - вид устройства сверху. На фиг. 1 приведены: корпус 1 двигател  внешнего сгорани , в котором на эксцентриковом валу 2 жестко укреплен эксцентрик 3, на котором на под- ифпнике например - подшипнике качени  металло-фторопластовом подшипнике, не требующем смазки, установленный двухвершинный ротор 4, который делит конхо- ид ную рабочую камеру корпуса двигател  на две полости: полость расширени  V1 и полость сжати  V2, корпус 1 двигател  установлен на основании 5, в корпусе 1 выпу ск- но|э окно б и впускное окно 19 расположены симметрично на противоположных сторонах относительно плоскости, проход щей чейез ось вала 2 и полюс конхоиды рабочей камеры; при вращении ротора 4 вокруг вала эксцентрикового вала 2, объемы полостей V1 и V2 поочередно измен ютс  от нул  до наибольшего значени , определ емого раз- нрбтью объемов рабочей камеры и ротора с коНхридн ыми радиальными поверхност ми , при этом, если объем полости 1 равен нулю, то объем полости V2 имеет наибольшее значение; в замкнутый газовый канал ТКГМ последовательно включены: к выпускному окну 6 корпуса 1 подсоединены трубки 7, выполненные, например, из металла, трубки 7 расположены в зоне испарител  (зон,а А) регенератора 8, который в данном призере выполнен в виде тепловой трубки, конденсатор у которой расположен в зоне Б, нр выходе трубок 7 подсоединен предва- рит льный охладитель 9, на выходе которого подсоединены трубки 10, установленные в зоне А регенератора 11, где осуществл етс  дополнительное охлаждение рабочего тела которое через клапан 12 (или золотник, дюзу и т. д.) поступает в детандер 13. где происходит его расширение и охлаждение до заданной температуры, детандер 13 закрыт кожухом 14, через который, дл  примера, может посредством впускного и выпускного отверстий с клапанами (не показаны) пропу- скать с  газ дл  его сжижени ; холодное ра- бочеф тело, например - гелий,из детандера 13 поступает в трубки 15, установленные в зоне Б регенератора 11, при этом, за счет более низкой температуры вещества регенератора в зоне Б1 по сравнению с его.темпера- турой;взонеА1, производитс  дополнительное понижение температуры рабочего тела-гели , наход щегос  в данное врем  в трубках 10 регенератора 11, при этом, в трубках 15 происходит повышение температуры рабочего тела-гели , который 5 через клапан 16 поступает в предварительный нагреватель 17, трубки в котором наход тс  например, в проточной воде, из предварительного нагревател  17 рабочее тело поступает в трубки 18 регенератора 8,

0 где происходит дополнительное повышение температуры гели  за счет теплоты, поступающей от испарител  А к конденсатору Б, далее нагретый гелий поступает из трубок 18 в трубки, установленные в нагревателе

5 20, где происходит основное повышение температуры гели  за счет теплоты от внешнего источника к трубам нагревател  20; далее гор чее рабочее тело поступает через впускное окно 19 нагретого внешним источ0 ником теплоты корпуса 1 в зоне нагревател  20 в полость V1, где при расширении создает давление на радиальную поверхность ротора , который начинает вращение по часовой стрелке. Более подробно работа

5 ТКГМ описана ниже.

Рассмотрим особенности конструктивных св зей гор чего регенератора 8 и холодного регенератора 11, включенных в схему газового замкнутого канала ТКГМ.

0 К выпускному окну б корпуса Т подсоединены металлические трубки 7 испарител  (зона А) регенератора 8, а трубки 18 конденсатора (зона Б) регенератора 8 св заны через нагреватель 20 с впускным окном 19

5 корпуса. Таким образом, регенератор 8 св зывает выпускное окно б, из крторого выхо: дит при работе двигател  гор чее рабочее тело (например - гелий) с впускным окном 19, к которому поступает гор чэе рабочее

0 тело из нагревател  20. Регенератор 8, дл  примера, выполнен в виде тепловой трубки, принцип действи  которой заключаетс  в переносе тепла наход щимс  в замкнутом пространстве веществом с фазовым пере5 ходом.

Выполнение регенератора 8, работающего по принципу действи  тепловой трубки/стало возможным потому, что при работе предложенной ТКГМ направление потока

0 рабочего тела, например - гели ,  вл етс  неизменным, хот  и пульсирующим по амп- литуде.то есть регенератор 8, по существу,  вл етс  рекуператором; однако, в за вке мы будем пользоватьс  прин тым в двигате5 л х в.нешнего сгорани  Стирлинга термином - регенератор. Поскольку регенератор двигател  ТКГМ  вл етс  важным элементом всей системы, то выбор, в данном примере , в качестве регенератора тепловой трубки -  вл етс  целью получени  более

высокого КПД устройства за счет снижени . аэродинамического сопротивлени  и задержки рабочего тела при движении по трубчатому теплообменнику в сравнении с регенератором в двигател х Стерлинга, а также за счет дополнительного нагрева корпуса V двигател  теплом, поступающим по тепловой трубке от зоны А испарител  в зону Б конденсатора регенератора 8. Естественно , что в предложенном устройстве дл  роторного двигател  ТКГМ, в принципе, возможно применение и других типов трубчатых теплообменников.

Регенератор 11 дл  детандера, полагаем целесообразно выполнить в форме труба в трубе, как достаточно эффективной.

Предварительные охладитель9 и нагреватель . 17 полагаем возможным объединить в форму регенератора при испытании опытных ТКГМ,.

Перед описанием работы предложенного устройства - ТКГМ, дл  более четкого понимани  особенностей его конструкции, рассмотрим, пример возможного конструктивного решени  корпуса его двигател  внешнего сгорани  и вход щих в него ое- новных:деталей - ротора, эксцентрикового вала и др., а также графическим методом проанализируем соотношени  размеров отдельных конструктивных величин, вли ющих на параметры этого двигател  и выберем примерный, оптимальный вариант основных конструктивных соотношений и размеров деталей в относительных величинах .... . .

На фиг. 2А, Б, В, Г показаны взаимосв зи р да деталей роторного двигател  ТКГМ, где в корпусе 1 размещен эксцентриковый вал 2 с эксцентриком 3, на котором установлен на подшипнике 4 ротор 5, на торцовой стороне которого жестко укреплена шестерн  6, имеюща  внутреннее зацепление, и св занна  с шестерней 8 с внешним зацеплением , неподвижно закрепленной на крышке 7, внутри шестерни 8 установлен подшипник 9, закрепленный кольцом 10, на валу 2 укреплен маховик-противовес 11.

С другой стороны корпус 1 закрыт крышкой 12, в которой установлен подшипник 13, закрепленный кольцом 14, на валу 2 укреплен второй маховик-противовес 15.

На фиг. 2Б в корпусе 1, симметрично относительно плоскости И-К, проход щий через Ось вращени  вала 2 и полюс конхо- иды рабочей камеры, выполнены - впускное окно 16 и выпускное окно 17, На фиг. 2Г показаны уплотнени , установленные на рот бре; включающие радиальные пластины 18 и торцевые уплотнени  19 с сухариками 20, подобные примен емым в роторно-поршневых двигател х. В качестве материала дл  радиальных и торцовых уплотнений может быть применен телефон, не требующий смазки .

На фиг. ЗА изображены, дл  примера, основные детали двигател  ТКГМ, размещённые дл  нагл дности, вдоль вала 2, где: корпус 1, эксцентрик 3, шарикоподшипник 4, ротор 5, шестерн  6 с внутренним зацеплением жестко укрепленна  на роторе 5. крышка 7, устанавливаема  на корпусе 1, шестерн  8 с внешним зацеплением, жестко устанавливаема  на крышке 7, подшипник 9, кольцо 10 дл  креплени  подшипника 9,

маховик-противовес 11, крышка 12, подшипник 13, кольцо 14, маховик-противовес 15; отношение числа зубьев шестерен 8 и 6, равно 1:2,

Выбор формы боковой (радиальной) поверхности рабочей камеры корпуса двигател  ТКГМ произведен на основании анализа р да конхоидных поверхностей. На фиг. ЗБ показаны три конхоиды, у которых основна  окружность имеет диаметр с центром в точкеО и полюсом в.точке Oi, где радиус-вектор конхоиды г равен I, а конхоиды а и б соответственно меньше, при этом:

- дл  конхоиды г отношение - 3

3

(сплошна  лини ),

- дл  конхоиды в отношение - 2

3

(штрихпунктирна  лини ),

- дл  конхоиды б отношение - . a

1,5

(пунктирна  лини ).

Анализ форм конхоид, приведенных на

фиг, ЗБ, показывает, что при - 2 конхоида

3

имеет овальную форму, что предпочтительно дл  рабочей камеры двигател  с целью упрощени  технологии ее изготовлени . Дл  конхоиды, показанной на фиг. ЗБ-2,

отношение - 3, при этом, отношение ее

-

наибольшего размера-диаметра по горизонтали (параллельного линии 1-1) к наибольшему размеру-диаметру по вертикали (4-4) составл ет J ,06, что близко к окружно- сти, дл  нагл дности на фиг, ЗБ обозначены:

КОН -конхоида,

ОК-окружность.

Крометого, нафиг.ЗБ лини ми 1-1,2-2, 3-3, 4-4, 5-5, 6-6, проход щими через по- люс Oi конхоиды и основную окружность с центром в точке О, показаны, дл  примера, положени , которые будет занимать лини , соедин юща  вершины ротора двигател  при его вращении вокруг оси О, и точки пересечени  с основной окружностью диаметром а; лини  (4-4) проходит через вершины конхоиды.

На фиг. 3В изображены детали фиг. 2Б, где дл  примера, изменено положение ротора 5, при этом видим, что вершины ротора 5 с их радиальными уплотнени ми, наход тс  ниже впускного 16 и выпускного 17 окон дл  того, чтобы эти окна были герметично изолированы одно от другого при любом положении ротора 5 в рабочей камере двигател  при условии, что между конхоидными поверхност ми рабочей камеры и ротора в положении, показанном на фиг. 3В, обеспечено конструкцией отсутствие зазоров (выше окон относительно линии Е-Ж); впускное 16 и выпускное 17 окна целесообразно выполн ть в виде щелей вдоль оси вала.

Рассмотрим работу ТКГМ, приведенную на фиг. 4 и фиг. 5, где показано последовательное изменение положени  ротора в рабочей камере двигател , при повороте эксцентрикового вала на 360, при этом ротор повернулс  лишь на 180°; показано при каких положени х клапана 12 и 16 закрыты или открыты, когда рабочее тело поступает в полость V1 расширени , когда создаетс  давление в полости VI, создающее момент вращени  на валу двигател .

На примере фиг. 4, где на фиг. 4А изображена ТКГМ, содержаща  корпус 1 двигател  внешнего сгорани , в котором на валу 2 жестко укреплен эксцентрик 3 с подшипником , на котором расположен ротор 4 с вершинами а-б, корпус 1 установлен на основании 5, выпускное окно 6 расположено в корпусе 1 симметрично впускному окну 19 Относительно плоскости, проход щей через Ось вала 2 и полюс конхоиды рабочей камеры корпуса 1, к выпускному окну 6 подсоединены трубки 7, расположенные в зоне испарител  А регенератора 8, который, в примере, выполнен в виде тепловой трубки, на выходе трубок 7 подсоединен предварительный охладитель 9, на выходе которого подсоединены трубки 10, установленные в зоне А регенератора 11, где осуществл етс  дополнительное охлаждение рабочего тела, которое через клапан 12 (или золотник при их открытии), поступает в детандер 13, где происходит его расширение и охлаждение до температуры, определ емой конструкцией ТКГМ, детандер 13 закрыт кожухом 14, через который, дл  примера, м,ожет пропускатьс  охлаждаемый газ дл  его снижени , холодное рабочее тело из детандера посту- пЈет в трубки 15, установленные в зоне Б регенератора 11, далее через клапан 16 (при его открытии) гелий поступает в предварительный нагреватель 17, трубки 18 регенератора 8, установленные в зоне Б

конденсатора регенератора 8, нагреватель 20, впускное окно 19.

На фиг. 4А клапана 12 и 16 закрыты, вершины ротора 4 расположены на уровне

нижних кромок окон 6 и 19, поэтому при повышении температуры нагревател  20 от внешнего источника тепла, а также корпуса 1 двигател , момент вращени  на валу двигател  будет отсутствовать. То есть, дл  порота

0 вала 2, а следовательно, и ротора 4 - необходимо приложить к валу 2 момент вращени  от внешнего источника, например стартера,

На фиг, 4Б при повороте ротора 4 клапан 16 открываетс  и в полости V1 при ее

5 разрежении начинает поступать рабочее тело из детандера, температура гели , проход щего через предварительный нагреватель конденсатор регенератора и нагреватель повышаетс . При положении

0 ротора на фиг. 4В - поступление рабочего тела в полость V1 продолжаетс , так как клапан 16 открыт, а клапан 12 закрыт, в полости V2 начинаетс  сжатие и нагрев рабочего тела, которое выходит из выпускного

5 окна 6.

В положении фиг. 4Г клапан 16 закрыт в полости V1 происходит дальнейшее повышение температуры рабочего тела от гор чих стенок корпуса 1, при этом гелий

0 расшир етс , его давление Pi возрастает.на ротор, создаетс  момент вращени  на валу 2; на фиг. БД, 5Е, 5Ж показано увеличение расширени  рабочего тела и поворот ротора , а также эксцентрикового вала 2 роторно5 го двигател ; клапан 16 закрыт, что преп тствует выходу рабочего тела из полости V1, а клапан 12 открыт, поэтому рабочее тело после выхода из трубок 7 испарител  регенератора, вначале охлаждаетс  в

0 предварительном охладителе 9, затем дополнительно охлаждаетс  в трубках 10 зоны А1 регенератора 11, далее, до низкой (криогенной) температуры рабочее тело охлаждаетс  при расширении в детандере.

5 На фиг.5з-показано, что ротор 4 зан л исходное положение фиг. А, лишь вершины а-б его изменили положение, то есть, ротор 4 повернулс  на 180°, а эксцентрик 3 и вал 2 повернулись на 360°. Таким образом за0 кончен один цикл работы ТКГМ. При расчет- ных массах маховика-противовеса двигатель, а следовательно, и ТКГМ начнут работать, при этом, температура рабочего тела будет постепенно понижатьс  до ве5 личины, определ емой конструктивными размерами холодильного устройства.

Дл  самопуска, то есть пуска ТКГМ без стартера необходимо соединить на одном эксцентриковом валу не менее двух подо- бных машин, что и как будет показано ниже.

Пример 2. С целью обеспечени  самопуска и большей равномерности непрерывной работы и момента вращени  выходного вала ТКГМ, на фиг, 6 изображено устройство, включающее две одинаковых ТКГМ, обозначенные Б1 и Б2, кажда  из которых аналогична ТКГМ, описанной в примере 1 и включает фиг, 6А: корпус 1 двигател  внешнего сгорани , ротор 2, теп- лообменные устройства 3 (включающие: два регенератора, детандер, нагреватель, предварительные нагреватель и охладитель и др.) обе ТКГМ (блоки Б1 и Б2) установлены на общем основании 4, а их ротора 2 установлены на общем эксцентриковом валу 5, и развернуты один относительно другого на 90°.. :.. .

Процесс самопуска устройства, приведенного на фиг. 7, по сним методом графического анализа, где покажем, как создаетс  непрерывный суммарный момент вращени  на общем эксцентриковом валу 5 при работе роторных двигателей двух ТКГМ..

Дл  анализа самопуска устройства, в качестве исходного, примем положение роторов в блоках Б1 и Б2 показанное на фиг. 6А, где: на фиг. 6А-Б1 аналогично приведенному на фиг. 4А, вершины ротора расположены на уровне нижних кромок впускного и выпускного окон рабочей камеры, при.этом полость V1 имеет наибольший объем, а объем полости V2 - равен нулю, поток рабочего тела - гели  в газовом канале ТКГМ отсутствует , клапана 12 и 16 (фиг: 4А) закрыты.

На фиг. 6А-Б2. аналогично приведенному на фиг. 5А, вершины ротора наход тс  в вершинах конхоиды рабочей камеры корпуса 1 двигател , эксцентрик расположен с поворотом на 180° относительно эксцентрика двигател  блока 51, а его ротор 2 повернут на 90° относительно ротора 2 блока Б1: на фиг. 6Д-Д показано диаметральное расположение эксцентриков блоков Б1 и Б2 на общем эксцентриковом валу. Рабоча  полость корпуса двигател  блока Б2 разделена ротором 2 на две равные полости: полость расширени  V2 и полость сжати  V2, клапан 16 (фиг. 5А) закрыт.

Начало процесса образовани  момента , вращени  М на валу общего эксцентрикового вала 5 устройства, показанного на фиг. 6А, схема блоков Б1 и Б2 которого описана выше, происходит следующим образом: при подводе теплоты к нагревател м 20 (фиг, 4А и фиг. 5А) блоков Б1 и Б2, произойдет повышение температуры этих нагревателей , а также повышение температуры корпуса, что вызовет повышение температуры рабочего тела - гели  в полост х блоков Б1 и Б2; нагрев рабочего тела в полости V2 блока Б2 приведет к возникновению давлени  Р2 на ротор 2 этого, блока, а при наличии эксцентриситета возникнет

момент вращени  на эксцентриковом валу . Величина момента вращени  М опре- . дел етс  на валу 5 величиной давлени  Р2 и эксцентриситетом ротора 2 блока Б2. На графике фиг. 6А-Е показано какие блоки

создают момент вращени  М на общем эксцентриковом валу 5, где: по горизонтали стрелками показан момент вращени  М, по вертикали обозначены блоки Б1 и Б2; анализ графика показывает, что при

положении роторов на фиг. 6А-Б1 и 6А-Б2, момент вращени  блока Б1 равен нулю, а от блока Б2 имеет наибольшее значение, величина которого определ ет суммарное значение момента вращени , 2 М М-Б2.

На фиг. 6Б ротора в блоках Б1 и Б2 повернуты под действием момента враще- ни .на некоторый угол, однако суммарный момент вращени  эксцентрикового вала 5 определ етс  действи м сил Ра в полости

V2 .

На фиг.бВ угол поворота роторов в бло- кахБ1 и Б2 увеличилс , при этом возникают силы, создающие давление на ротор также ив блоке Б1, при этом суммарный момент

вращени  вала 5 определ етс  действием сил в обоих блоках Б Т и Б2, что показано на фиг. 68-Е.

На фиг.бГ показано, что создание мо- мента вращени  на валу 5 обусловлено работой двигател  блока Б1 (фиг. 6Г-Е).

Дальнейшее образование момента вращени  эксцентрикового вала 5 при работе двигателей блоков Б1 и Б2 очевидно.

Приведенный выше анализ работы

предложенного устройства, содержащего две ТКГМ, изображенного на фиг. 6 с учетом работы ТКГМ по примеру 1, позвол ет сделать вывод о том, что суммарный момент вращени  их общего эксцентрикового вала , в любой момент его поворота вокруг оси, будет больше нул , то есть на этом валу будет непрерывно действовать момент вращени  при нагреве нагревателей (корпусов) двигателей внешнего сгорани 

обоих ТКГМ.

Необходимо отметить, что при установке на общем основании более двух ТКГМ и соединении их роторов одним эксцентрико- вым валом, с соответствующим смещением по углу, на валу эксцентриков и роторов, самопуск такого устройства, естественно, будет существенно облегчен, более равномерным будет также момент вращени  на его эксцентриковом валу.

Пример 3. Дл  увеличени  холодоп- роизводительности ТКГМ необходимо, в первую очередь, увеличить мощность ее двигател  внешнего сгорани , в частности, за счет увеличени  объема его рабочей ка- меры, при увеличении ее длины вдоль оси эксцентрикового вала.

На фиг. 6 изображены двигатель ТКГМ, у которого (фиг. 6А) длина рабочей камеры, по сравнению с двигателем на фиг. 2А, уве- /)ичена, примерно, на 50 %. При этом дл  усилени  св зи между вращающимис  и неподвижными детал ми устройства введена втора  пара шестерен (шестерни 14 и 16) Между ротором и второй крышкой корпуса. И остальном устройство по примеру 3 ана- лЬгично устройству по примеру Т. поэтому работа его аналогична описанной в примере 1 i показанной на фиг. 4 и 5, и более детально не рассматриваетс ..

П р и м е р 4. С целью упрощени  динамической балансировки вращающихс  масс и повышени  стабильности и равномерности вращени  эксцентрикового вала ТКГМ, не фиг. 8А показано устройство, содержа- ифе, корпуса с роторами четырех ТКГМ, каждый из которых аналогичен описанному в Примере 1. На фиг. 8А блоки .1, 2, 3,.4, включающие 1, 2, 3 и 4, ротора которых св заны одним эксцентриковым валом 5 и установлены на общем основании б, вершины1 роторов обозначены буквами а-б. конхо- идйые рабочие прлости обозначены VI, V2, V3|H V3, V4 и V4, полюс конхоиды рабочей камеры блока 1 обозначен 01, блока 2 обозначен 02 блока 3 обозначен 03 и блока 4 обозначен 04..

Особенностью схемы устройства на фиг. 8А  вл етс  то, что полюса конхоид и роторов блоков 1 и 2, а также блоков 3 и 4 рафоложены диаметрально противополож- нб Ьси вала 5, а линий, соедин ющие вершины роторов бло-ков 1 и 2  вл ютс  параллельными, соответственно параллельны Динии, соедин ющие вершины роторов блоков 4 3 и 4, однако, между парами блоков 1-2 и 3-4 эти параллельные линии  вл ютс  перпендикул рными.

Анализ фиг. 8А показывает, что вращающиес  массы блоков 1 и 2, а также 3 и 4  вл ютс  взаимно сбалансированными без балансиров. При увеличении на одном экс- ценфиковом валу количество таких блоков, содержащих вращающиес  массы ТКГМ, сбалансированности всего устройства бу- дет.Повышатьс  без применени  балансиров .

П р и м е р 5. С целью повышени  срока непрерывной работы ТКГМ, ее роторный двигатель должен работать в оптимальном

тепловом режиме. Основой устройства по примеру 5  вл етс  ТКГМ, описанна  в примере 1, но дополн ема  устройством, показанным на фиг. 8Б, В, Г, Д. которое предназначено дл  обеспечени  возможности поддержани  теплового режима двигател  ТКГМ в требуемом режиме (при наличии соответствующих контрольных приборов). На фиг. 8Б и 8В изображен кор- .пус 1 двигател  ТКГМ. эксцентрик 4 которого снабжен полост ми (каналами), по которым пропускаетс  газ или жидкость с температурой, котора  обеспечивает необ-. ходимый тепловой режим двигател  ТКГМ, Конструкци  устройства, показанного на фиг. 8Б, В включает: корпус 1, в котором размещен ротор 2, св занный с эксцентриковым валом 3 посредством эксцентрика 4, который содержит каналы 5 (на фиг. 86 и фиг. 8В дл  примера показан один канал), размещенные в его конструкции, корпус 1 имеет впускное б и выпускное 7 окна дл  пропуска рабочего тела ТКГМ, корпус 1 установлен на основании 8: вал 3 имеет канал 9 дл  подвода вещества с заданной температурой и канал 9 дл  подвода вещества с заданной температурой и канал 9 дл  его отвода в систему циркул ции. Система циркул ции терморегулирующего вещества, прокачиваемого по каналам в эксцентри- ке.изображенна  на фиг. 8Г и 8Д, включает дл  примерз: компрессор 16, труболровод 17 и 7, компенсатор 18. канал 8, кольцевые коллекторы 5К и 5К, каналы 5 и 5 в эксцентрике 4, канал 9, обойма 10 с кольцевым каналом 12, трубопроводы 11, 13, 15, терморегул тор 14, направление движени  вещества по каналу терморегулировани  температуры эксцентрика (двигател ) показано стрелками. .

П р и м е р 6. На фиг, 9А, Б, В, Г изображена схема ТКГМ, котора  отличаетс  от описанной в примере 1 тем, что ее детандер выполнен в виде устройства с конхоидной рабочей камерой, в которой на эксцентриковом валу установлен двухвершинный ротор, с конхоидными радиальными поверхност ми , который делит рабочую камеру детандера на две полости, роторный двигатель внешнего сгорани  (блок Б1) и детандер (блок Б2) установлены на общем основании 1, а их ротора св заны одним эксцентриковым валом 2: блок Б1 включает корпус 3, ротор 4, впускное окно 5. полость расширени  V1, полость сжати  V2, выпускное окно 6, нагреватель 7, металлические трубки из окна 6 проход т через зону испарител  го- р чего регенератора 8, далее через предварительный охладитель 9, холодный регенератор 11, клапан 12 (дюза и др.) и

через впускное окно 5 соедин ютс  с полостью расширени  1 блока Б2 (детандер), который имеет ротор 4 полость V2 блока Б2 посредством выпускного окна б1 через клапан 13 св зана посредством металлических трубок с регенератором 11; на выходе 6 из детандера (блок Б2) можно установить дополнительный блок 14, который использовать как источник низкой температуры; на выходе регенератора 11 установлен предварительный нагреватель 10, выходные трубки из которого проход т через зону Б конденсатора регенератора 8, далее через нагреватель 7 подсоединены к впускному окну 5, соединенному с полостью расширени  V1 роторного двигател  внешнего сгорани  - блок Б1.

В качестве источника холода предлагаетс  использовать корпус (рубашку ребристую ) детандера, а также блок 14, через который пропускаетс  рабочее тело- гелий, имеющее низкую температуру на выходе из. детандера.

Предварительный охладитель 9 и предварительный нагреватель 10 считает возможным объединить в регенератор при испытани х образцов устройства.

Необходимое управление клапанами 12 и 13 предлагаетс  осуществить посредством привода от двигател  (блока Б1), считаем возможным в качестве клапанов использовать клапана, работающие от разности давлений рабочего тела.

В процессе работы рабочее тело в предложенной ТКГМ движетс  в форме импульсов в направлении, показанном стрелками Vi и V2. В качестве регенератора 8 предложено применить тепловую трубку с испарителем в зоне А и конденсатором - в зоне Б, в качестве регенератора 8 предложено применить рекуператор конструкции труба в трубе с противотоком движени  гор чего Vi и холодного Va потоков рабочего тела. Таким образом, в процессе работы ТКГМ, блок Б1 - имеет повышенную температуру (гор чий), а блок Б2-детандер имеет низкую температуру(криогенна  область температур).

При работе ТКГМ, показанной на фиг. 9, 9В, в полость V1 блока Б1, поступает рабочее тело из полости V2 блока Б2, при этом в полости V2 образуетс  гор чее рабочее тело повышенного давлени , которое охлажденным в предварительном охладителе 9 и регенераторе 11 через клапан 12 поступает в полость V1 блока Б2, где при расширении понижает свою температуру, а также температуру корпуса детандера (блок 2), далее при вращении ротора 4 гелий перемещаетс  в полость V2 блока Б2, откуда через выпускное окно 6, блок 14 клапан 13, регенератор 11, предварительный нагреватель 10, конденсатор Б регенератора 8 нагреватель 7, впускное окно 5 поступает в полость расширени  VI блока Б1.

Особенностью конструктивной схемы ТКГМ по примеру 6,  вл етс  выполнени , практически, любым требуемым - соотношение объемов рабочих камер двигател 

0 (блок 1 - фиг. 9 Б, В) и детандера (блок Б2). При конструктивной разработке устройства по примеру 6, приведенного на фиг. 9В (вид сверху), важным  вл етс  требование расположить клапан 13 возможно ближе к

5 впускному окну 5, с целью снижени  потерь давлени  при расширении рабочего тела- гели  в полости V1, а клапан 12 рекомендуетс  располагать возможно ближе к впускному окну 51 детандера (блок Б2). Оп0 тимальный угол между роторами, установленными на общем эксцентриковом валу в блоках Б1 и Б2 (фиг. 9Г), определ етс  при исследовани х образцов ТКГМ, и может достигать 90°.

5 В качестве источника тепловой энергии дл  нагрева нагревател  7 блока 1 можно использовать, например, солнечную энергию , направл емую на нагреватель 7 от зеркальных отражатель, тепловую энергию от

0 сжигани  топлива и т. д.

Пример. На фиг. 9А, Б, В, Г, Д показана схема теплоиспользующей криогенной газовой роторной машины (ТКГМ),- котора  отличаетс  от описанной в примере

5 6 тем, что с целью исключени  объема газового канала, заполн емого рабочим телом при его расширении в полости расширени  V1 двигател  (блок Б1), клапан в газовом канале (клапан 13 - фиг. 10В) заменен кла0 паном, образуемым ротором при его вращении в рабочей камере двигател , а впускное окно дл  рабочего газа перенесено из корпуса двигател  в его крышку, обращенную к детандеру.

5 ; На фиг. 10А изображен ТКГМ, вид спереди; на фиг. 10 Б - корпус роторного двигател  в разрезе (блок 1); на фиг. 10 В - ТКГМ, вид сверху; на фиг. 10 Г - корпус детандера в разрезе (блок 2), на фиг. 10 Д 0 блоки Б1 и Б2 дл  нагл дности развернутыми на эксцентриковом валу 2, в разрезе.

На фиг. 10А, Б, В, Г, Д - изображены; основание 1, на котором установлен блок Б1,  вл ющийс  роторным двигателем

5 внешнего сгорани  и блок Б2,  вл ющийс  детандером, ротора которых св заны одним эксцентриковым валом 2, блок 1 включает корпус 3 с рабочими камерами V1 и V2, ротор 4, впускное окно 5, выполненное в крышке корпуса дл  пропуска рабочего тела-гели , выпускное окно 6, выполненное в корпусе 3, нагреватель 7 установлен перед впускным окном 5, к выпускному окну б подсоединены трубки, которые проход т последовательно через испаритель в зоне А регенератора 8, предварительный охладитель 9, при работе охлаждаемый, например,, водой, регенератор 11, клапан 12, впускное окноб1 блока Б2, блок Б2- ключает корпус З1 с рабочими камерами V1 и V2, ротор 41, впускное окно 51, выпускное окно б1, на выходе которого установлен (при необходимости ) дополнительный охладитель 14, клапан 13, регенератор 11, буферна  полость 10, конденсатор в зоне Б регенератора 8, нагреватель 7, впускное окно 5, полость расширени  VI. В. качестве буферной полости 10 Можно использовать соединительные трубки л трубки теплообменников канала при соответствующем их объеме.

При работе ТКГМ гор чее рабочее тело- гелий при выпуске из выпускного окна 6 блока Б1 (фиг. 10В) по стрелке Y поступает $ испаритель - зону А регенератора 8, выполненного в виде тепловой трубы, где передает теплоту рабочему веществу тепловой трубы, по которой теплота посту- г)ает от испарител  к конденсатору - зона Б регенератора 8, от испарител  регенератора 8 рабочее тело - гелий поступает в предварительный охладитель 9, далее - в. регенератор 11, выполненный, например, в в;иде труба в трубе с противоточным движением рабочего тела в его трубопроводах/в регенераторе 11 гор чее рабочее т0ло, перемещаемое по трубопроводу по стрелке Vi, передает тепло холодному рабочему телу - гелию, который.после выходу из детандера, перемещаетс  п о второму трубопроводу по стрелке V2, после выхода иЈ регенератора 11, охлажденное рабочее при повышенном давлении поступает через клапан 12 (дюза и т. п.) и впускное oikHp 51 в детандер-блок Б2. В детандере при расширении рабочего тела происходит понижение его температуры до значений, определ емых конструкцией ТКГМ. Далее, пр|и повороте ротора 4 детандера, рабочее тело С низкой (криогенной) температурой перемещаетс  ротором в полость Mi , откуда через клапан 13, регенератор 11, буферную полость 10, конденсатор зоны Б регенератора 8, нагреватель 7, впускное окно 5 гелий поступает в полость расширени  VI. Буферна  полость 10 предназначена дл  предотвращени  резкого повышени  давлени  рабочего тела после закрыти  ротором 4 впускного окна 5, когда ротор 41 блока Б2 прЬдолжает перемещать рабочее тело в канал , включающий регенератор 11, полость 10, нагреватель7-отзакрыти  клапана 13. После закрыти  клапана 13, в канале ТКГМ, включающем регенератор 11 (его канал за 5 клапаном 13), полость 10 и нагреватель 7, - рабочее тело может находитьс  при повышенном давлении, которое используетс  дл  подачи гели  в полость V1 двигател  при открытии впускного окна 5 ротором 4 при его

0 повороте на валу 2. С целью более четкого понимани  особенностей предлагаемой ТКГМ, рассмотрим конструктивные отличи  корпусных групп ее двигател  по примеру 1. Сравнива  конструкции, показанные на

5 фиг. 2 и фиг. 11 видим, что на фиг. 11А, Б впускное окно 16 выполнено в крышке корпуса двигател , а на фиг. 2А, Б - в корпусе; кроме того, на фиг. 11 Б, Г видим. что на торцовых сторонах ротора 5 выполнены вы0 емки 19,191и20,201, предназначенные дл  пропуска рабочего тела, поступающего при работе двигател  из впускного окна 5 в полость V1 рабочей камеры двигател , а также сквозные отверсти  в роторе 5 дл  выравнй5 вани  давлени  на его торцах, другими по форме  вл ютс  торцовые уплотнени  ротора , показанные на фиг. 11 Г. Сравнива  фиг, 3 и фиг. 12 видим, что на фиг. 12А в крышке 7 выполнено впускное окно 16 дл  пропуска

0 рабочего тела при работе двигател , что видим и на фиг; 12В, кроме того, на фиг. 12В г на торцовых сторонах ротора 5 показаны выемки 21 и 211, 22. и 221, а в корпусе 1 показано одно выпускное окно 17.

5 Работа ТКГМ по примеру 7 подобна работе ТКГМ по примеру 6 и, соответственно, по примеру 1 с тем отличием, что ротор при вращении периодически перекрывает впускное окно 5, тем самым управл ет поступ0/лением рабочего, тела от нагревател  7, через впускное окно 5, выемки 15, 151 и 16, 161 в полость расширени  V1, изображенную на фиг. 10Б, В,Д, фиг. 11 и фиг. 12.

5 При решении вопроса о выборе опти- мального варианта ТКГМ, в основу выбора следует прин ть технические требовани  к устройству.

При требовании обеспечени  самопу0 ска оптимальным  вл етс  вариант ТКГМ . по примеру 2, при требовании обеспечени  высокой сбалансированности вращающихс  масс-оптимальным следует считать устройство по примеру 4, при не5 обходимости обеспечени  возможно большей холодопроизводительности ТКГМ оптимальными  вл ютс  устройства по примерам 3, б и 7.

Формула изобретени  1. Теплоиспользующа  криогенна  газова  роторна  машина, включающа  замкнутый контур, содержащий роторное устройство с рабочей камерой, разделенной ротором на полости расширени  и сжати  и два рекуператора, отличающа с  тем, что, с целью расширени  функциональных возможностей , рабоча  камера выполнена кон- хоидной формы, ротор - двухвершинным, радиальные поверхности ротора выполнены также по конхоиде, в контур дополнительно включены детандер и нагреватель, причем первый рекуператор установлен с возможностью обеспечени  теплообмена между входом и выходом роторного устройства, второй рекуператор - между входом и выходом из детандера, а нагреватель размещен на корпусе устройства со стороны входа газа в полость расширени .

2. Машина по п. 1,отличающа с  тем, что, с целью повышени  надежности, дополнительно содержит две пары шестерен с одинаковыми характеристиками, при- чем одна из шестерен в каждой паре установлена на торцовой стороне ротора, а друга  - на крышке корпуса устройства.

3.Машина по п. 1,отличающа с  тем, что, с целью улучшени  условий эксплуатации , ротор выполнен с охлаждающими каналами, подключенными к постороннему источнику или к своему замкнутому контуру.

4. Машина поп. 1,отличающа с  тем, что, с целью повышени  экономичности , детандер соединен с роторным устройством общим валом и установлен на общем основании, а рабоча  камера детандера вы- полнена по конхоиде,

В

А

j

2 JH$

V,

ff S t S-X°U

3

1С29611