RU2460898C1

RU2460898C1 - Thermal engine

Info

Publication number: RU2460898C1
Application number: RU2011106278/06A
Authority: RU
Inventors: Николай Александрович Рыльцов (RU); Николай Александрович Рыльцов; Владимир Станиславович Тарадонов (RU); Владимир Станиславович Тарадонов; Дмитрий Николаевич Шаманов (RU); Дмитрий Николаевич Шаманов; Олег Николаевич Аленичев (RU); Олег Николаевич Аленичев; Ефим Файвелевич Дубровенский (RU); Ефим Файвелевич Дубровенский; Валерий Николаевич Киреев (RU); Валерий Николаевич Киреев
Priority date: 2011-02-10
Filing date: 2011-02-10
Publication date: 2012-09-10
Also published as: RU2011106278A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: proposed engine comprises fire-box with heat exchanger and compression-expansion unit arranged in engine housing. Rotor is arranged in housing cylindrical chamber. Two roller contactors are arranged in housing seats and coupled via synchroniser with aforesaid rotor. Said rotor is furnished with, at least, two vanes that make compression and expansion chambers together with contactors. Work fluid feed and discharge channels are made in said housing chambers. Expansion chamber inlet channel houses slide valve connected via synchroniser with rotor. Aforesaid channels are communicated with atmosphere. Compression chamber work fluid discharge channel is communicated via check valve arranged therein with heat exchanger. Heat exchanger is communicated with expansion chamber work fluid feed channel.

EFFECT: rotary thermal engine.

10 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к роторным тепловым двигателям.The invention relates to rotary heat engines.

Известны различные типы роторных тепловых двигателей. Роликово-поршневой двигатель внутреннего сгорания по патенту US 3324839, публикация 08.10.1965, содержит пары параллельных цилиндров и эксцентричных цилиндрических поршней с возможностью вращения планетарным образом, а между цилиндрами установлен ролик. Топливо впрыскивается в сжатый воздух в полости, которая образуется за счет вращения цилиндров поршней и ролика, и поджигается от свечи зажигания, совершая работу и обеспечивая вращение механизма.Various types of rotary heat engines are known. The US-3324839, a piston roller internal combustion engine, publication of 10/08/1965, contains pairs of parallel cylinders and eccentric cylindrical pistons rotationally in a planetary manner, and a roller is installed between the cylinders. Fuel is injected into the compressed air in the cavity, which is formed due to the rotation of the cylinders of the pistons and the roller, and is ignited by the spark plug, doing work and ensuring the rotation of the mechanism.

В патенте FR 2410735, публикация 30.11,1977, описана конструкция роторного двигателя внутреннего сгорания, содержащего ротор с двумя лопатками и роликовый замыкатель, установленный в кармане корпуса. При вращении ротора обеспечивается сжатие воздуха и в образовавшуюся полость впрыскивается топливо, которое поджигается, совершая работу и обеспечивая вращение механизма.Patent FR 2410735, publication 30.11.1977, describes the construction of a rotary internal combustion engine comprising a rotor with two blades and a roller lock installed in the pocket of the housing. When the rotor rotates, air is compressed and fuel is injected into the cavity, which is ignited, performing work and ensuring the rotation of the mechanism.

Наиболее близкой к заявляемому изобретению является конструкция роторного двигателя с внешним подводом рабочего тела по патенту GB-277532, публикация 4.12.1926, которая содержит, установленный в корпусе, свободно вращающийся ротор. Ротор связан с подвижными поршнями, которые установлены в карманах и вращаются вместе с ротором, посредством зубчатой передачи, обкатываясь по внутренней поверхности корпуса, образуя рабочие полости. В образующуюся полость подается рабочее тело, например сжатый газ, который и совершает работу.Closest to the claimed invention is the design of a rotary engine with an external supply of the working fluid according to patent GB-277532, publication 4.12.1926, which contains, mounted in the housing, a freely rotating rotor. The rotor is connected with movable pistons, which are installed in pockets and rotate together with the rotor by means of a gear transmission, rolling around on the inner surface of the housing, forming working cavities. A working fluid, for example, compressed gas, which does the work, is fed into the cavity formed.

При создании конструкции теплового роторного двигателя с внешним подводом теплоты по изобретению решена задача создания эффективного теплового двигателя с рациональными термодинамическими процессами, обеспечивающего минимальные потери на протечки рабочей среды и неадиабатность, а также минимальные габариты и вес.When creating the design of a heat rotary engine with an external supply of heat according to the invention, the problem of creating an effective heat engine with rational thermodynamic processes, ensuring minimal loss of leakage of the working medium and non-adiabaticity, as well as minimal dimensions and weight, was solved.

Тепловой двигатель включает топку с теплообменником, блок сжатия и расширения, выполненный в корпусе. В цилиндрической полости корпуса установлен ротор, в карманах корпуса расположены, по меньшей мере, два роликовых замыкателя, связанных через синхронизатор с упомянутым ротором. Ротор снабжен, по меньшей мере, двумя лопастями, которые совместно с замыкателями образуют в корпусе полость сжатия и полость расширения. В корпусе выполнены соответствующие каналы для подвода и отвода рабочей среды к полости сжатия и соответствующие каналы подвода и отвода рабочей среды к полости расширения. При этом в входном канале полости расширения установлен золотник, также связанный через синхронизатор с ротором. Канал подвода рабочей среды полости сжатия и канал отвода рабочей среды полости расширения соединены с атмосферой, канал отвода рабочей среды полости сжатия через обратный клапан, установленный в канале, соединен с теплообменником, а выход теплообменника соединен с каналом ввода рабочей среды полости расширения.The heat engine includes a furnace with a heat exchanger, a compression and expansion unit, made in the housing. A rotor is installed in the cylindrical cavity of the casing; at least two roller contactors are connected in the pockets of the casing, connected through a synchronizer to the said rotor. The rotor is equipped with at least two blades, which together with the contactors form a compression cavity and an expansion cavity in the housing. Corresponding channels for supplying and discharging the working medium to the compression cavity and corresponding channels for supplying and discharging the working medium to the expansion cavity are made in the housing. At the same time, a spool is installed in the input channel of the expansion cavity, which is also connected through a synchronizer to the rotor. The channel for supplying the working medium of the compression cavity and the channel for removing the working medium of the expansion cavity are connected to the atmosphere, the channel for removing the working medium of the compression cavity through a check valve installed in the channel is connected to the heat exchanger, and the outlet of the heat exchanger is connected to the channel for entering the working medium of the expansion cavity.

Данный тепловой двигатель характеризуется тем, что в нем используется как кинетическая, так и потенциальная энергия рабочего тела, которым является газ, прошедший через теплообменник. Тепловая энергия передается от топки через теплообменник газу, который перед этим подвергается сжатию в полости сжатия. Затем нагретый газ поступает в полость расширения через золотник, где расширяется, производя работу, обеспечивая вращение ротора. Применение обратного клапана обеспечивает непрерывность и равномерность поступления газа в полость сжатия, что увеличивает удельную мощность двигателя. Золотник в конструкции двигателя позволяет эффективно использовать кинетическую и потенциальную энергию рабочего тела, осуществляя фазированный впуск газа и заданную степень его расширения.This heat engine is characterized in that it uses both the kinetic and potential energy of the working fluid, which is the gas passed through the heat exchanger. Thermal energy is transferred from the furnace through the heat exchanger to gas, which is previously compressed in the compression cavity. Then the heated gas enters the expansion cavity through the spool, where it expands, performing work, ensuring the rotation of the rotor. The use of a non-return valve ensures the continuity and uniformity of gas flow into the compression cavity, which increases the specific power of the engine. The spool in the engine design allows you to effectively use the kinetic and potential energy of the working fluid, carrying out a phased gas inlet and a given degree of expansion.

В данной конструкции двигателя обеспечиваются минимальные веса и габариты, при минимальных потерях рабочего тела, надежном запирании между полостями сжатия и расширения. Кроме того, данный двигатель может обеспечить достаточно большие мощности.In this engine design, minimum weights and dimensions are ensured, with minimal losses of the working fluid, and reliable locking between the compression and expansion cavities. In addition, this engine can provide sufficiently large power.

В частном случае выполнения тепловой двигатель выполнен с четырьмя роликовыми замыкателями, а ротор снабжен тремя лопастями.In the particular case of performing the heat engine is made with four roller contactors, and the rotor is equipped with three blades.

Кроме того, ось ротора и оси роликовых замыкателей выполнены параллельными. Помимо этого ротор и роликовые замыкатели установлены с возможностью обкатывания относительно друг друга, что обеспечивает минимальные потери в двигателе.In addition, the axis of the rotor and the axis of the roller contactors are made parallel. In addition, the rotor and roller contactors are installed with the possibility of running relative to each other, which ensures minimal loss in the engine.

Синхронизатор двигателя может быть выполнен механическим, например, в виде набора зубчатых шестерен.The engine synchronizer can be made mechanical, for example, in the form of a set of gears.

В частном случае золотник выполнен в виде вала с, по меньшей мере, одним поперечным газовым каналом.In the particular case, the spool is made in the form of a shaft with at least one transverse gas channel.

Топка двигателя может быть выполнена с возможностью сжигания газообразного, жидкого или твердого топлива. Топка с теплообменником могут быть выполнены в виде единого блока или в виде раздельных устройств.The engine furnace may be configured to burn gaseous, liquid, or solid fuels. A furnace with a heat exchanger can be made in the form of a single unit or in the form of separate devices.

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На Фиг.1 приведена схема теплового роторного двигателя по изобретению.Figure 1 shows a diagram of a thermal rotary engine according to the invention.

На Фиг.2 приведен разрез блока сжатия расширения двигателя по оси вала, а на Фиг.3 - сечение по А-А.Figure 2 shows a section of a compression unit for expanding the engine along the axis of the shaft, and Figure 3 is a section along aa.

На Фиг.4 приведена схема синхронизатора.Figure 4 shows a diagram of a synchronizer.

На Фиг.5 приведена схема работы двигателя для трех положений ротора и роликовых замыкателей.Figure 5 shows a diagram of the engine for three positions of the rotor and roller contactors.

Тепловой роторный двигатель (Фиг.1) включает топку 2 с теплообменником 3 и блок 1 сжатия и расширения, выполненный в корпусе 4. Блок 1 сжатия и расширения содержит полость 9 сжатия и полость 10 расширения. В цилиндрической полости корпуса 4 установлен ротор 5, в карманах корпуса расположены четыре роликовых замыкателя 6, связанных через синхронизатор 7 с ротором 5. Ротор 5 снабжен тремя лопастями 8, которые совместно с замыкателями 6 образуют в корпусе 4 полость 9 сжатия и полость 10 расширения. В корпусе 4 выполнены канал 11 для подвода рабочей среды и канал 12 отвода рабочей среды к полости 9 сжатия и канал 13 подвода рабочей среды и канал 14 отвода рабочей среды к полости 10 расширения. При этом в канале 13 подвода к полости 10 расширения установлен золотник 15, так же как и замыкатели 6, связанный через синхронизатор 7 с ротором 5. Канал 11 подвода рабочей среды к полости сжатия и канал 14 отвода рабочей среды от полости расширения соединены с атмосферой, канал 12 отвода рабочей среды полости 9 сжатия через обратный клапан 16, установленный в канале, соединен с теплообменником 3, а выход теплообменника 3 соединен с каналом 13 ввода рабочей среды полости 10 расширения.The thermal rotary engine (FIG. 1) includes a firebox 2 with a heat exchanger 3 and a compression and expansion unit 1 made in the housing 4. The compression and expansion unit 1 comprises a compression cavity 9 and an expansion cavity 10. A rotor 5 is installed in the cylindrical cavity of the housing 4, four roller contactors 6 are located in the pockets of the housing, connected through a synchronizer 7 to the rotor 5. The rotor 5 is equipped with three blades 8, which together with the contactors 6 form a compression cavity 9 and an expansion cavity 10 in the housing 4. In the housing 4, a channel 11 for supplying a working medium and a channel 12 for withdrawing a working medium to a compression cavity 9 and a channel 13 for supplying a working medium and a channel 14 for removing a working medium to an expansion cavity 10 are made. At the same time, a spool 15 is installed in the channel 13 for supplying the expansion cavity 10, as well as the contactors 6 connected through the synchronizer 7 to the rotor 5. The channel 11 for supplying the working medium to the compression cavity and the channel 14 for withdrawing the working medium from the expansion cavity are connected to the atmosphere, the channel 12 of the extraction of the working medium of the compression cavity 9 through the check valve 16 installed in the channel is connected to the heat exchanger 3, and the output of the heat exchanger 3 is connected to the channel 13 of the input of the working medium of the expansion cavity 10.

В качестве пускового привода теплового двигателя для начального пуска теплового двигателя (на фигурах не показан) может использоваться практически любой двигатель: тепловой, электрический, пневматический.Almost any engine can be used as a starting drive of a heat engine for the initial start-up of a heat engine (not shown in the figures): heat, electric, pneumatic.

В качестве топки 2 может использоваться любое топочное устройство на жидком, твердом или газообразном топливе. Тепло топки 2 подогревает рабочее тело в теплообменнике 3, который может быть выполнен на основе уже известных теплообменников. Топка 2 с теплообменником 3 могут образовывать общий блок (на фигурах не показан).As the furnace 2 can be used in any furnace device for liquid, solid or gaseous fuels. The heat of the furnace 2 heats the working fluid in the heat exchanger 3, which can be made on the basis of the already known heat exchangers. The furnace 2 with the heat exchanger 3 can form a common block (not shown in the figures).

Синхронизатор 7 в данном примере выполнен в виде механического устройства и содержит (Фиг.2, Фиг.4) ведущее зубчатое колесо 19, закрепленное на оси ротора 5, обеспечивающее посредством зубчатых колес 20 синхронную работу роликовых замыкателей 6 и колес 21 и 22, обеспечивающих синхронную работу золотника 15. Роторные замыкатели 6 вращаются в три раза быстрее ротора 5, а золотник 15 вращается в полтора раза быстрее ротора 5. Это обеспечивает надлежащее протекание процессов сжатия и расширения.The synchronizer 7 in this example is made in the form of a mechanical device and contains (FIG. 2, FIG. 4) a drive gear 19 fixed to the axis of the rotor 5, which ensures the synchronous operation of the roller contactors 6 and the wheels 21 and 22, which provide synchronous operation the operation of the spool 15. Rotary contactors 6 rotate three times faster than the rotor 5, and the spool 15 rotates one and a half times faster than the rotor 5. This ensures the proper course of compression and expansion.

Тепловой роторный двигатель работает следующим образом.Thermal rotary engine operates as follows.

Наружный воздух поступает в полость сжатия 9, где сжимается и при достижении определенного значения давления обратный клапан 16 открывается и сжатый воздух поступает в теплообменник 3. Из теплообменника 3, через золотник 15, подогретый газ (рабочее тело) порциями поступает в полость 10 расширения, где расширяется совершая полезную работу. Золотник 15 выполняет важную функцию, осуществляя фазированный впуск газа в полость 10 расширения. Золотник 15 имеет симметричный профиль газового канала, что позволяет ему при двух открытиях за один оборот обеспечивать три цикла подачи газа на каждый оборот ротора 5. Профиль канала золотника 15 выбирается таким образом, чтобы фаза его открытия по углу поворота ротора 5 соответствовала заданной степени расширения газа. При расширении и совершении работы температура газа сильно понижается. Из полости 10 расширения газ вытесняется в выхлопную систему (атмосферу) следующей лопастью 8. Очередная лопасть 8 переходит из зоны расширения в зону сжатия через разделяющие эти зоны, полости 10 и 9, запорные ролики 6.Outside air enters the compression cavity 9, where it is compressed and when a certain pressure is reached, the check valve 16 opens and the compressed air enters the heat exchanger 3. From the heat exchanger 3, through the spool 15, the heated gas (working medium) enters the expansion cavity 10 in portions, where expands doing useful work. The spool 15 performs an important function by performing a phased gas inlet into the expansion cavity 10. The spool 15 has a symmetrical profile of the gas channel, which allows it to provide three gas supply cycles for each revolution of the rotor 5 at two openings per revolution. The channel profile of the spool 15 is selected so that its opening phase in the angle of rotation of the rotor 5 corresponds to a given degree of gas expansion . With the expansion and completion of work, the gas temperature drops significantly. From the expansion cavity 10, the gas is displaced into the exhaust system (atmosphere) by the next blade 8. The next blade 8 passes from the expansion zone to the compression zone through the separating these zones, cavities 10 and 9, locking rollers 6.

Наружный воздух, за счет разряжения возникающего за движущейся лопастью 8, засасывается через вход 11 в полость 9 сжатия. Следующая лопасть 8 отсекает поступивший газ от атмосферы и образует замкнутую полость 9 сжатия, ограниченную поверхностями ротора 5, неподвижного корпуса 4 и крышек 17, движущейся лопастью 8 и вращающимися роликовыми замыкателями 6. Обратный лепестковый клапан 16 открывается, когда давление сжимаемого газа превысит давление газа в теплообменнике 3, после чего происходит вытеснение сжатого газа в полость теплообменника 3. Лопасть 8, обеспечившая сжатие газа, через роликовые замыкатели 6 уходит в полость 10 расширения, а цикл сжатия повторяется со следующей лопастью 8. Для того чтобы переход лопастей 8 из полости 9 сжатия в полость 10 расширения сопровождался минимальными потерями на протечки, профиль выемок в роликовых замыкателях 6 имеет специальную геометрию, обеспечивающую минимальные зазоры.Outside air, due to the discharge arising behind the moving blade 8, is sucked through the inlet 11 into the compression cavity 9. The next blade 8 cuts off the incoming gas from the atmosphere and forms a closed compression cavity 9, limited by the surfaces of the rotor 5, the fixed housing 4 and the covers 17, the moving blade 8 and the rotating roller closures 6. The check flap valve 16 opens when the pressure of the compressible gas exceeds the gas pressure in heat exchanger 3, after which the compressed gas is displaced into the cavity of the heat exchanger 3. The blade 8, which provides gas compression, goes through the expansion rollers 6 into the expansion cavity 10, and the compression cycle is repeated on the next blade 8. In order to shift the blades 8 of the cavity 9 in the compression chamber 10, expansion was accompanied by minimal leakage losses, the profile of the recesses in the roller contactor 6 has a special geometry that provides the minimum clearances.

Сжатие рабочего тела осуществляется следующим образом (Фиг.5а, б, в). В начале цикла сжатия блока сжатия расширения теплового двигателя ротор 5 с лопастями 8 занимает положение, показанное на Фиг.5а. Далее наружный воздух за счет разряжения, возникающего за движущейся лопастью 8 (Фиг.5б), засасывается через входной патрубок в полость 9 сжатия. Следующая лопасть 8 отсекает поступивший газ от атмосферы и образует замкнутую полость сжатия, ограниченную поверхностями ротора 5, неподвижного корпуса 4, крышками 17, движущейся лопастью 8 и вращающимися роликовыми замыкателями 6. Обратный лепестковый клапан 16, установленный на канале отвода 12, открывается, когда давление сжимаемого газа превысит давление газа в теплообменнике 3, после чего происходит вытеснение сжатого газа в полость теплообменника 3. Цикл расширения, происходящий в полости 10 расширения, происходит параллельно со сдвигом по фазе. На Фиг.5б в полость 10 расширения с помощью золотника 15 из теплообменника 3 поступает порция нагретого рабочего тела. Далее золотник 15 отсекает теплообменник 3 от полости 10 расширения. Благодаря этому газ расширяется и охлаждается. Работа, совершаемая в полости расширения, производится за счет внутренней энергии газа путем давления на лопасть 8 (Фиг.5в). Цикл сжатия и цикл расширения за время одного поворота ротора происходят три раза.The compression of the working fluid is as follows (Figa, b, c). At the beginning of the compression cycle of the compression unit for expanding the heat engine, the rotor 5 with blades 8 occupies the position shown in Fig. 5a. Further, the external air due to the discharge occurring behind the moving blade 8 (Fig.5b), is sucked through the inlet pipe into the compression cavity 9. The next blade 8 cuts off the incoming gas from the atmosphere and forms a closed compression cavity bounded by the surfaces of the rotor 5, the stationary housing 4, the covers 17, the moving blade 8 and the rotating roller closures 6. The check flap valve 16 mounted on the exhaust channel 12 opens when the pressure the compressible gas will exceed the gas pressure in the heat exchanger 3, after which the compressed gas is displaced into the cavity of the heat exchanger 3. The expansion cycle occurring in the expansion cavity 10 occurs in parallel with the shift phase. On figb in the cavity 10 of the expansion using the valve 15 from the heat exchanger 3 receives a portion of the heated working fluid. Next, the spool 15 cuts off the heat exchanger 3 from the expansion cavity 10. Due to this, the gas expands and cools. The work done in the expansion cavity is performed due to the internal energy of the gas by applying pressure to the blade 8 (Fig. 5c). The compression cycle and the expansion cycle during one turn of the rotor occur three times.

Данный роторный тепловой двигатель благодаря малым габаритам при достаточно высоких характеристиках по мощности может использоваться в самых различных отраслях, в частности на транспорте.Due to its small dimensions and sufficiently high power characteristics, this rotary heat engine can be used in a wide variety of industries, in particular in transport.

Claims

1. A heat engine, including a furnace with a heat exchanger and a compression and expansion unit, made in a housing in which a rotor is installed in a cylindrical cavity, at least two roller contactors are located in the housing pockets, connected through a synchronizer with said rotor, the rotor is equipped with with at least two blades, which together with the contactors form a compression cavity and an expansion cavity in the housing, corresponding channels for supplying and discharging the working medium to the compression cavity and corresponding channels are made in the housing In order to supply and discharge the working medium to the expansion cavity, a spool is installed in the inlet channel of the expansion cavity, also connected via a synchronizer to the rotor, while the channel for supplying the working medium of the compression cavity and the channel for removing the working medium of the expansion cavity are connected to the atmosphere, the channel for removing the working medium of the compression cavity through a check valve installed in the channel is connected to the heat exchanger, and the output of the heat exchanger is connected to the input channel of the working medium of the expansion cavity.

2. The heat engine according to claim 1, characterized in that it is made with four roller contactors, and the rotor is equipped with three blades.

3. The heat engine according to claim 1, characterized in that the axis of the rotor and the axis of the roller contactors are made parallel.

4. The heat engine according to claim 1, characterized in that the rotor and roller contactors are installed with the possibility of running relative to each other.

5. The heat engine according to claim 1, characterized in that the synchronizer is made mechanical, for example in the form of a set of gears.

6. The heat engine according to claim 1, characterized in that the spool is made in the form of a shaft with at least one transverse gas channel.

7. The heat engine according to claim 1, characterized in that the furnace is configured to burn gaseous fuel.

8. The heat engine according to claim 1, characterized in that the furnace is configured to burn liquid fuel.

9. The heat engine according to claim 1, characterized in that the furnace is made with the possibility of burning solid fuel.

10. The heat engine according to claim 1, characterized in that the furnace with a heat exchanger is made in the form of a single unit.