Теплоиспользующая криогенная газовая роторная машина а.в.чащинова

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 F 25 В 9/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ CCCP) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4387982/06 (22) 03.03,88 (46) 15.02.93. Бюл. М 6 (75) А,В.Чащинов (56) Патент США

N. 4175400, кл. F 25 В 9/00, опубл. l979.

Изобретение относится к машиностроенин и может быть использовано для разработки устройств холодильной техники.

Теплоиспользующая криогенная газовая роторная машина(ТКГМ) представляет собой устройство, в котором совмещены в одйом агрегате Холодильная машина и тепловой двигатель, предназначенный для привода криогенной газовой машины (КГМ) без про чежуточного преобразования тепловой

weфгии в другие виды энергии, Применение

ТКГМ является весьма перспективным в условиях дефицита электрической энергии и при наличии теплоты высокого потенциала, например на космических аппаратах и др.

Первое упоминание о ТКГМ относится к

1918 г., когда Р,Волюмье предложил устройство, в котором замкнутый объем цилиндра разделен двумя вытеснителями на три рабочие полости, регенераторы размещены в вытеснителях, штоки вытеснителей выведеНы через горячую и холодную полости, что обуславливает малую надежность работы их сальников, а значит всего устройства в коМплексе.

8 1939 г. B.Eóø предложил конструктивную схему ТКГМ с рядным расположением цилиндров. основным недостатком которого является участие в отводе теплоты,, БЦ,, l79523? А1 (54) ТЕПЛОИСПОЛЬЗУЮЩАЯ КРИОГЕННАЯ ГАЗОВАЯ РОТОРНАЯ МАШИНА

А.В.ЧАЩИНОВА (57) Использование: холодильное машиностроение; Сущность; в контур роторного устройства введены детандер и нагреватель, что позволяет расширить функциональные возможности машины. 3 з. и. ф-лы, 12 ил. лишь той части газа, которая протекает из одного вытеснительного узла в другой.

Наибольшую известность получили

ТКГМ, где применены угловые и оппозитные схемы; например, одноступенчатая ТКГМ на уровне 77 К, разработанная в лаборатории фирмы Филипс (CLIJA), выполнена по оппозитной схеме с углом фазового сдвига вытеснителей около 900, масса опытного образца, около 6 кг, частота вращения вала 600 об/мин., полезная холодопроизводитель-. ность 2 Вт при рабочем давлении 4,0 МПа.

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

В качестве прототипа изобретения принята одноступенчатая ТКГМ на уровне

77 К, разработанная в лаборатории фирмы "Филипс" (США), выполненная по оппозитной схеме с углом фазового сдвига вытеснителей около 900. Для связи вытеснительных поршней с валом применен шатунно-кривошипный механизм. При рабочем давлении 3,0 МПа температура, К, в зоне: — горячей — 1000 — промежуточной — 350 — холодной — 77

1795237

10 охлалгденил рабочего тела а ТКГгд, ае — потребляемая мощность электрического нагревателя, Вт — 115 — полезная холодопроизводительность, Вт — 1 — масса, кг — 6.

Недостатком прототипа является сложность конструкции, обусловленная наличием шатунно-кривошипного механизма для и ривода поршней.

Целью изобретения является упрощение конструкции ТКГМ за счет исключения шатунно-кривошипного механизма в предложенном устройстве.

Предложенное устройство (ТКГМ) предназначено для получения криогенныхФемператур, где рабочее тело, например— гелий, не изменяет в замкнутом контуре своего агрегатного состояния, оставаясь газообразкым в любом процессе цикла. B основе действия машины лежит термодинамический цикл, предложенный в l916 r.

Стирлингом, отличающийся тем, что рабочее тело в процессе цикла не изменяет направления своего движения (как в двигателях Стирлинга), но движется по замкнутому каналу в виде импульсов, что обусглавливает отсутствие мертвых зон ь газовом канале двигателя и ТКГМ, и, как следствие, возможность повышения КПД всего устройства.

Конструктивная схема устройства, кроме рекуператора, связывающего выход-вход, предусматривает установку рекуператора также в холодной зоне ТКГМ для связи выход-вход детандера. Конструкции рекуператоров в предложенной ТКГМ не являются предметом изобретения и, следовательно, могут иметь решения, отличные от изложенных ниже в примерах. гду рекупе. ратор у двигателя выполнен в виде "тепловой трубы", а рекуператор у детандера выполнен в виде "труба в трубе", 3) предложенная ТКГМ, одновременно с получением криогенных температур, дает механическую энергию на эксцентриковом валу внешним потребителям;

4) при установке на общем основании не менее двух предложенных ТКГМ, соединении их зксцентриковых валов жесткой связью и определенной, зависящей от числа связанных ТКГМ, взаимной угловой установкой vix роторов на валу (для двух ТКГМ угол между их роторами на валу равен 90 ) обеспечивается самопуск такого устройства.

5) соотношение объемов полостей расширения и сжатия двигателя (горячая зона) и полостей детандера (холодная зона) можно изменять в требуемых по расчету пределах для обеспечения заданной температуры

Сущность и новизна изобретения заключается в том, что в отличие от прототипа — одноступенчатой ТКГМ фирмы "Филипс" (США), выполненной по оппозитной схеме с углом фазового сдвига вытеснителей около

90О, где для связи вытеснительных поршней с валом применен шатунно-кривошипный механизм, в предложенной ТКГМ;

1) для упрощения конструкции устройства за счет исключения шатунно-кривошипного устройства, двигатель выполнен роторным с конхоидной формой рабочей камеры и двухвершинным ротор, делящем рабочую камеру на две полости, а на входе

15 детандера, по направлению потока рабочего тела в замкнутом газовом канале ТКГМ, установлен второй рекуператор, связывающий вход и выход рабочего тела из детандера, передаточное отношение шестерен, 20 установленных на крышке корпуса двигателя и ротора равно 1: 2;

2) при необходимости увеличения холодопроизводительности ТКГМ, в первую очередь следует увеличить объем рабочей

25 камеры роторного двигателя, что можно достигнуть увеличением ее длины, радиальных размеров, числа оборотов ротора в единицу времени. При увеличении длины камеры, а следовательно и длины ротора, 30 возникает необходимость усиления механической связи между ротором и корпусом двигателя. Для этого введена вторая пара шестерен, равная по параметрам первой паре, но установленная на смежных торцовой

35 стороне ротора и второй крышке корпуса;

3) по и. 1 — с целью дополнительного охлаждения ротора двигателя, предусмотрено его охлаждение посредством охлаждающего тела, поступающего в каналы его

40 эксцентрика (на котором установлен данный ротор) или от отдельного компрессора, или подключением каналов этого эксцентрика в замкнутый газовый контур ТКГМ;

45 4) для усиления циркуляции рабочего тела (например — гелия) по замкнутому газо:вому контуру ТКГМ, на общее основание с двигателем установлен детандер. ротор которого посредством общего эксцентриково50 го вала связан с ротором двигателя, рабочая камера детандера выполнена по конхоиде в радиальном направлении;

5) для обеспечения уравновешиваемости вращающихся масс (ротора, шестерни

55 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, соответстнно устанавливаются эксцентрики и

1795237 ротора на общем эксцентриковом валу устройства.

Пример 1. На фиг. 1 изображена конструктивная схема теплоиспользующей криогенной газовой роторной машины в трех проекциях А, Б, В, где: на фиг. 1А — вид сбоку; на фиг 1Б — вид вдоль оси эксцентрикОвого вала (в разрезе); а на фиг. 1 — вид устройства сверху. На фиг. 1 приведены: корпус 1 двигателя внешнего сгорания, в кОтором на эксцентриковом валу 2 жестко укреплен эксцентрик 3, на котором на подшипнике например — подшипнике качения иЛи металло-фторопластовом подшипнике, 10 не требующем смазки, установленный двух- 15 вершинный ротор 4, который делит конхоидную рабочую камеру корпуса двигателя на две полости: полость расширения Ч1 и полость сжатия V2, корпус 1 двигателя установлен на основании 5, в корпусе 1 выпуск- 20 но окно 6 и впускное окно 19 расположены симметрично на противоположных сторонах относительно плоскости, проходящей через ось вала 2 и полюс конхоиды рабочей камеры; при вращении ротора 4 вокруг вала 25 эксцентрикового вала 2. объемы полостей

V1 и V2 поочередно изменяются от нуля до наибольшего значения, определяемого разноотью объемов рабочей камеры и ротора с коНхоидными радиальными поверхностя- 30 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 35

7, выполненные, например, иэ металла, трубки 7 расположены в зоне испарителя (зона А) регенератора 8, который в данном приМере выполнен в виде тепловой трубки, конденсатор у которой расположен в зоне 40

Б, на выходе трубок 7 подсоединен предварительный охладитель 9, на выходе KoTOpo"

ro подсоединены трубки 10, установленные в зоне А регенератора 11, где осуществляется дополнительное охлаждение рабочего 45 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, для примера, 50 можЕт посредством впускного и вцпускного отверстий с клапанами(не показаны) пропускаться газ для его сжижения; холодное рабочеФ тело, например — гелий,из детандера

13 поступает в трубки 15, установленные в 55 зоне Б регенератора 11, при этом, за счет более низкой температуры вещества регенератора s зоне Б1 по сравнению с его температурой в зоне А1, производится дополнительное пониЖение температуры рабочего тела-гелия, находящегося в данное время в трубках

10 регенератора 11, при этом, в трубках 15 происходит повышение температуры рабочего тела-гелия, который через клапан 16 поступает в предварительный нагреватель 17, трубки в котором находятся например, в проточной воде, из предварительного нагревателя 17 рабочее тело поступает в трубки 18 регенератора 8, где происходит дополнительное повышение температуры гелия за счет теплоты, поступающей от испарителя А к конденсатору Б, далее нагретый гелий поступает иэ трубок

18 в трубки, установленные в нагревателе

20, где происходит основное повышение температуры гелия за счет теплоты от внешнего источника к трубам нагревателя 20; далее горячее рабочее тело поступает через впускное окно 19 нагретого внешним источником теплоты корпуса 1 в зоне нагревателя

20 в полость V1, где при расширении создает давление на радиальную поверхность ротора, который начинает вращение по часовой стрелке. Более подробно работа

ТКГМ описана ниже.

Рассмотрим особенности конструктивных связей "горячего" регенератора 8 и "холодного регенератора 11, включенных в схему газового замкнутого канала ТКГМ.

К выпускному окну 6 корпуса 1 подсоединены металлические трубки 7 испарителя (зона А) регенератора 8, а трубки 18 конденсатора (зона Б) регенератора 8 связаны через нагреватель 20 с впускным окном 19 корпуса. Таким образом, регенератор 8 связывает выпускное окно 6, из которого выходит при работе двигателя горячее рабочее тело (например — гелий) с впускным окном

19, к которому поступает горячее рабочее тело из нагревателя 20. Регенератор 8, для примера, выполнен в виде тепловой трубки, принцип действия которой заключается в переносе тепла находящимся в замкнутом пространстве веществом с фазовым переходом.

Выполнение регенератооа 8, работающего по принципу действия тепловой трубки, стало возможным потому, что при работе предложенной ТКГМ направление потока рабочего тела. например — гелия, является неизменным, хотя и пульсирующим по амплитуде,то есть регенератор 8, по существу, является рекуператором; однако, в заявке мы будем пользоваться принятым в двигателях внешнего сгорания Стирлинга термином — регенератор. Поскольку регене ратор двигателя ТКГМ является важным.элементом всей системы, то выбор, в данном примере, в качестве регенератора тепловой трубки — является целью получения более

1795237 высокого КПД устройства за счет снижения. аэродинамического сопротивления и "задержки" рабочего тела при движении по трубчатому теплообменнику в сравнении с регенерэтором в двигателях Стирлинга, а также за счет дополнительного нагрева корпуса 1.двигателя теплом, поступающим по тепловой трубке от зоны А испарителя в зону Б конденсатора регенератора 8. Естественно, что в предложенном устройстве для роторного двигателя ТКГМ, в принципе, возможно применение и других типов трубчатых теплообмен ников.

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

Предварительные охладитель 9 и нагреватель 17 полагаем возможным объединить в форму регенератора при испытании опытных ТКГМ.

Перед описанием работы предложенного устройства — ТКГМ, для более четкого понимания особенностей его конструкции, рассмотрим, пример возможного конструктивного решения корпуса его двигателя внешнего сгорания и входящих в него основных.деталей — ротора, эксцентрикового вала и др., а. также графическим методом проанализируем соотношения размеров отдельных конструктивных величин, влияющих на параметры этого двигателя и выберем примерный, оптимальный вариант основных конструктивных соотношений и размеров деталей в относительных величинах.

На фиг. 2А, Б, В, Г показаны взаимосвязи ряда деталей роторного двигателя ТКГМ, .где в корпусе 1 размещен эксцентриковый вал 2 с эксцентриком ", на котором установлен на подшипнике 4 ротор 5, на торцовой сторойе-которого жестко укрейлена шестерня 6, имеющая внутреннее зацепление, и связанная с шестерней 8 с внешним зацеплением, неподви>кно закрепленной на крышке 7, внутри шестерни 8 установлен подшипник 9, закрепленный кольцом 10, на валу 2 укреплен маховйк-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, проходящий через ось вращения вала 2 и "полюс" конхоиды рабочей камеры, выполнены — впускное окно 16 и выпускное окно 17, На фиг. 2Г показаны уплотнения, установленные на роторе, включающие радиальные пластины

18 и торцевые уплотнения 19 с сухариками

20, подобные применяемым в роторно-поршневых двигателях. В качестве материала для радиальных и торцовых уплотнений может быть применен телефон, не требующий смазки

На фиг. 3А изображены, для примера, основные детали двигателя ТКГМ, размещенные для наглядности, вдоль sana 2, где: корпус 1, эксцентрик 3, шарикоподшипник крышка 7, устанавливаемая на корпусе 1, шестерня 8 с внешним зацеплением, жестко устанавливаемая на крышке 7, подшипник

9, кольцо 10 для крепления подшипника 9, маховик-противовес 11, крышка 12, под15 шипник 13, кольцо 14, маховик-противовес

15; отношение числа зубьев шестерен 8 и 6, равно 1: 2.

Выбор формы боковой {радиальной) по20 верхности рабочей камеры корпуса двигателя ТКГМ произведен на основании анализа ряда конхоидных поверхностей. На фиг. ЗБ показаны три конхоиды, у которых основная окружность имеет диаметр с центром в точке 0 и "полюсом" в точке О>, где радиус-вектор конхоиды r равен 1, а конхоидь. э и б соответственно меньше, при этом; — для конхоиды r отношение — = 3

I а (сплошная линия), 30.— для конхоиды в отношение — = 2

1 а (штрихпунктирная линия), I

35 для конхоиды б отношение — = 1,5 а (пунктирная линия).

Анализ фОрм конхоид, приведенных на фиг, ЗБ, показывает, что при — 2 конхоида

l а

40 имеет овальную форму, что предпочтительно для рабочей камеры двигателя с целью упрощения технологии ее изготовления.

Для конхоиды, показанной ra фиг. ЗБ-2, отношение — =3, при этом, отношение ее

1 а наибольшего размера-диаметра по горизонтали (параллельного линии 1 — 1) к наибольшему размеру-диаметру по вертикали (4-4) составляет 3,06, что близко к окружно50 сти, для наглядности на фиг, ЗБ обозначены:

КОН вЂ” кон хоида, ОК- окружность, Кроме того, на фиг, ЗБ линиями 1-1,2-2, 3-3, 4 — 4, 5-5, 6-6, проходящими через "полюс" Îl конхоиды и основную окружность с центром в точке О, показаны, для примера, положения, которые будет занимать линия. соединяющая вершины ротора двигателя при его вращении вокруг оси О, и точки пересечения с основной окружностью диа55

4, ротор 5, шестерня 6 с внутренним зацеп10 лением жестко укрепленная на роторе 5.

1795237

10 метром а; линия (4 — 4) проходит через вершины конхоиды.

На фиг. ЗВ изображены детали фиг. 2Б, где для примера, изменено положение ротора 5, при этом видим. что вершины ротора

5 с их радиальными уплотнениями, находятся ниже впускного 16 и выпускного 17 окон для того, чтобы эти окна были герметично изолированы одно от другого при любом положении ротора 5 в рабочей камере двигателя при условии, что между конхоидными поверхностями рабочей камеры и ротора в положении, показанном на фиг. ЗВ, обеспечено конструкцией отсутствие зазоров (выше окон относительно линии Е-Ж); впускное

16 и выпускное 17 окна целесообразно вы- полнять в виде щелей вдоль оси вала.

Рассмотрим работу ТКГМ, приведенную . на фиг, 4 и фиг. 5, где показано последовательное изменение положения ротора в рабочей камере двигателя, при повороте

20 эксцентрикового вала на 360, при этом ротор повернулся лишь на 180О; показано при каких положениях клапана 12 и 16 закрыты или открыты, когда рабочее тело поступает в полость Ч1 расширения, когда создается

° давление в полости Ч1, создающее момент вращения на валу двигателя.

На примере фиг. 4, где на фиг. 4А изображена ТКГМ, содержащая корпус t двига- 30 теля внешнего сгорания, 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 35 корпусе 1 симметрично впускному окну 19

Относительно плоскости, проходящей через ось вала 2 и полюс конхоиды рабочей камеры корпуса 1, к выпускному окну 6 подсоеДинены трубки 7, расположенные в зоне 40 испарителя 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 45 зоне А регенератора 11, где осуществляется дополнительное охлаждение рабочего тела, которое через клапан 12 (или золотник при их открытии). поступает в детандер 13, где пройсходит его расширение и охлаждение 50 до температуры, определяемой конструкцией ТКГМ, детандер 13 закрыт кожухом 14, чврез который, для примера, может пропускаться охлаждаемый газ для его снижения, холодное рабочее тело из детандера посту- 55 п ет 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 J9.

На фиг, 4А клапана 12 и 16 закрыты, вершины ротора 4 расположены на уровне нижних кромок окон 6 и 19, поэтому при повышении температуры нагревателя 20 от внешнего источника тепла, а также корпуса

1 двигателя, момент вращения на валу двигателя будет отсутствовать. То есть, для порота вала 2, а следовательно, и ротора 4 — необходимо приложить к валу 2 момент вращения от внешнего источника, например стартера, На фиг, 4Б при повороте ротора 4 клапан 16 открывается и s полости Ч1 при ее разрежении начинает поступать рабочее тело из детандера, температура гелия, проходящего через предварительный нагреватель конденсатор регенератора и нагреватель повышается. При положении ротора на фиг. 4 — поступление рабочего тела в полость V1 продолжается, так как клапан 16 открыт, а клапан 12 закрыт, в полости V2 начинается сжатие и нагрев рабочего тела. которое выходит из выпускного окна 6.

В положении фиг. 4Г клапан 16 закрыт в полости Ч1 происходит дальнейшее повышение температуры рабочего тела от горячих стенок корпуса 1, при этом гелий расширяется, егодавление Р1возрастает.на ротор, создается момент вращения на валу

2; на фиг, 5Д, 5Е, 5Ж показано увеличение расширения рабочего тела и поворот ротора, а также эксцентрикового вала 2 роторно-. го двигателя; клапан 16 закрыт, что препятствует выходу рабочего тела из полости Vi, а клапан 12 открыт, поэтому рабочее тело после выхода из трубок 7 испарителя регенератора, вначале охлаждается в предварительном охладителе 9, затем дополнительно охлаждается в трубках 10 зоны А1 регенератора 11, далее, до низкой (криогенной) температуры рабочее тело охлаждается при расширении в детандере.

На фиг.5з — показано, что ротор 4 занял исходное положение фиг. А, лишь вершины а-б его изменили положение, то есть, ротор

4 повернулся на 180, а эксцентрик 3 и вал

2 повернулись на 360 . Таким образом закончен один цикл работы ТКГМ. При расчетных массах маховика-противовеса двигатель, а следовательно и ТКГМ начнут работать, при этом. температура рабочего тела будет постепенно понижаться до величины, определяемой конструктивными размерами холодильного устройства, Для самопуска, то есть пуска ТКГМ без стартера необходимо соединить на одном эксцентриковом валу не менее двух подобных машин, что и как будет показано ниже.

1795237

12 жены на уровне нижних кромок впускного и 30 выпускного окон рабочей камеры, при этом полость V1 имеет наибольший объем, а абьем полости V2 — равен кулю, поток рабочего тела — гелия в газовом канале ТКГМ отсутствует, клапана 12 и 16(фиг. 4А) закрыты. 35

На фиг. 6А-Б2, аналогично приведенному на фиг. 5А, вершины ротора находятся в вершинах конхоиды рабочей камеры корпуса 1 двигателя, эксцентрик расположен с поворотам на 180 относительно эксцентри- 40 ка двигателя блока Б1, а его ротор 2 повер- нут на 90 относительно ротора 2 блока Б1: на фиг. 6А-Д показано диаметральное распола>кение эксцентриков блоков Б1 и Б2 на общем эксцентриковом валу. Рабочая па- 45 лость корпуса двигателя блока Б2 разделена ротором 2 на две равные полости: полость расширения V2 и полость сжатия

Ч2, клапан 16 (фиг, 5А) закрыт.

Il р и м е р 2. С целью обеспечения самопуска и большей равномерности непрерывной работы и момента вращения выходного вала ТКГМ, на фиг. 6 изображено устройство, включающее две одинаковых

ТКГМ, обозначенные Б1 и Б2, каждая из которых аналогична ТКГМ, описанной в примере 1 и включает фиг, 6А: корпус 1 двигателя внешнего сгорания, ротор 2, теплообменные устройства 3(включающие: два регенератора, детандер, нагреватель, предварительные нагреватель и ахладитель 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 900.

Процесс самопуска устройства, приве денного на фиг. 7, поясним методом графического анализа, где покажем, как создается непрерывный суммарный момент вращения на общем эксцентриковом валу 5 при работе роторных двигателей двух ТКГМ.

Для 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 располоНачало процесса образования момента, вращения М на валу общего эксцентрикавога вала 5 устройства, показанного на фиг. 6А, схема блоков Б1 и Б2 которого описана выше, происходит следующим образам: при подводе теплоты к нагревателям 20 (фиг. 4А и фиг. 5А) блоков Б1 и Б2, произойдет повышение температуры этих нагревателей, а также повышение температуры корпуса, чта вызовет повышение температуры рабочего тела — гелия в полостях бла5

20 ков Б1 и Б2; нагрев рабочего тела в полости V2 блока Б2 приведет к возникновению давления Р2 на ротор 2 этого. блока, а при наличии эксцентриситета возникнет момент вращения на эксцентриковом валу. Величина момента вращения M определяется на валу 5 величиной давления Р2 и эксцентриситетом ротора 2 блока Б2. На графике фиг. 6А-Е показано какие блоки создают момент вращения M на общем эксцентриковам валу 5, где; по горизонтали стрелками показан момент вращения

М, по вертикали обозначены блоки Б1 и

Б2; анализ графика показывает, что при положении роторов на фиг, 6А-Б1 и 6А-Б2, момент вращения блока Б1 равен нулю, а от блока Б2 имеет наибольшее значение, величина которого определяет суммарное значение момента вращения, ZM = М-Б2.

На фиг. 6Б ротора в блоках Б1 и Б2 повернуты под действием момента вращения.на некоторый угол, однако суммарный момент вращения эксцентрикового вала 5 определяется действиям сил Р2 в полости

V2 °

На фиг,6В угол поворота роторов в блоках Б1 vi Б2 увеличился, при этом возникают силы, создающие давление на ротор также и в блоке Б1, при этом суммарный момент вращения вала 5 определяется действием сил в обоих блоках Б1 и Б2, что показано на фиг. 6В-Е.

На фиг.6Г показано, что создание момента вращения на валу 5 обусловлено работой двигателя блока Б1 (фиг. 6Г-E).

Дальнейшее образование момента вращения 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, позволяет сделать вывод о том, что суммарный момент вращения их общего эксцентрикового ва- ла, в любой момент ere поворота вокруг оси, будет больше нуля. то есть на этом валу будет непрерывно действовать момент вращения при нагреве нагревателей (корпусов) двигателей внешнего сгорания обоих ТКГМ.

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

1795237

Пример 3. Для увеличения холодопроизводительности ТКГМ необходимо, в первую очередь, увеличить мощность ее двигателя внешнего сгорания, в частности, за счет увеличения объема его рабочей камеры, 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, увеличена, примерно, на 50 j. При этом для усиления связи между вращающимися и нег1одвижными деталями устройства введена вторая пара шестерен (шестерни 14 и IG) между ротором и второй крышкой корпуса.

8 остальном устройство по примеру 3 аналогично устройству па примеру 1, поэтому работа его аналогична описанной в примере

1, показанной на фиг. 4 и 5, и более детально не рассматривается.

Пример 4. С целью упрощения динамИческой балансировки вращающихся масс и повышения стабильности и равномерно. сти вращения эксцентрикового вала ТКГМ, на фиг. 8А показано устройство. содер>кащее, корпуса с роторами четырех ТКГМ, каждый из которых аналогичен описанному в примере I, На фиг. 8А блоки I, 2, 3, 4, включающие 1, 2, 3 и 4, ротора которых связаны одним эксцентриковым валом 5 и установлены на общем основании 6, вершинь1 роторов обозначены буквами а-б, конхоидные рабочие прлости обозначены И, V2, УЗ и V3, V4 и V4, полюс конхоиды рабочей камеры блока I обозначен 01, блока 2 обозначен 02 блока 3 обозначен 03 и блока

4 обозначен 04.

Особенйостью схемы устройства на фиг. 8А является то, что полюса конхоид и ротооов блоков 1 и 2, а также блоков З.и 4 расположены диаметрально пратитвоположно аси вала 5, а линии, соединяющие вершины роторов блоков 1 и 2 являются параллельными, соответственна параллельны линии, соединяющие вершины роторов блоков 4 3 и 4, однако, между парами блоков

1-2 и 3-4 эти параллельные линии являются перпендикулярными.

Анализ фиг. 8А показывает, что вращающиеся массы блоков I и 2, а также 3 и 4 являются взаимно сбалансированными без балансиров. При увеличении на одном зксцент >иковом валу количество таких блоков, содержащйх вращающиеся массы ТКГМ, сбалансированности всего устройства бу дет повышаться без применения балансиров.

fl р и м е р 5, С целью повышения срока непрерывной работы ТКГМ, ее роторный деитотель должен реоотеть е олтимельном наличии соответствующих контрольных приборов). На фиг. 8Б и 8В изображен кор10 . пус 1 двигателя ТКГМ, эксцентрик 4 которо35 температуры эксцентрика (двигателя) пока40 зана стрелками.

Пример 6, На фиг. 9А, Б, В, Г изобра45

55

30 тепловом режиме. Основой устройства по примеру 5 является ТКГМ, описанная в примере I, но дополняемая устройством, показанным на фиг. 8Б, В, Г, Д, которое предназначено для обеспечения возможности поддержания теплового режима двигателя ТКГМ в требуемом режиме (при

ro снабжен полостями (каналами), по которым пропускается газ или жидкость с температурой, которая обеспечивает необходимый тепловой режим двигателя ТКГМ, Конструкция устройства, показанного на фиг. 8Б, В включает: корпус I, в котором размещен ротор 2, связанный с эксцентриковым валом 3 посредством эксцентрика 4. который содержит каналы 5 (на фиг. 8Б и фиг. 8В для примера показан один канал), размещенные в его конструкции, корпус 1 имеет впускное G и выпускное 7 окна для пропуска рабочего тела ТКГМ, корпус 1 установлен на основании 8: вал 3 имеет канал

9 для подвода вещества с заданной температурой и канал 9 для подвода вещества с заданной температурой и канал 9 для его отвода в систему ци р куля ци и. Система ци ркуляции терморегулирующего вещества, прокачиваемого по каналам в эксцентрике,изображенная на фиг. 8Г и 8Д, включает для примера: компрессор 16, трубопровод

1? и 7, компенсатор 18, канал 8, кольцевые коллекторы 5К и 5К. каналы 5 и 5 в эксцен-! трике 4, канал 9, обойма 10 с кольцевым каналом 12, трубопроводы 11, 13, 15, терморегулятор 14, направление движения вещества по каналу термарегулирования жена схема ТКГМ, которая отличается от описанной в примере 1 тем; что ее детандер выполнен в виде устройства с конхаидной рабочей камерой, в которой на эксцентриковом валу установлен двухвершинный ротор, с конхаидными радиальными поверхностями, который делит рабочую камеру детандера на две полости, раторный двигатель внешнего сгорания (блок БI) и детандер (блок Б2) установлены на общем основании

1, а их ротора связаны одним эксцентриковым валом 2: блок БI включает корпус 3, ротор 4, впускное окно 5, полость расширения VI, полость сжатия V2, выпускное окно

6, нагреватель 7, металлические трубки из окна 6 проходят через зону испарителя горячего регенератора 8, далее через предварительный охладитель 9, холодный регенератор 11, клапан 12 (дюза и др.) и

1795237

16 через впускное окно 5 соединяются с полость1о расширения 1 блока Б2 (детандер), который имеет ротор 41, полость V2 блока Б2 посредством выпускного окна 6 через кла1 пан 13 связана посредством металлических трубок с регенератором 11; на выходе 6 иэ детандера (блок Б2) можно установить дополнительный блок 14, который использовать как источник низкой температуры; на выходе регенератора 11 установлен предварительный нагреватель 10, выходные трубки иэ которого проходят через зону Б конденсатора регенератора 8, далее через нагреватель 7 подсоединены к впускному окну 5, соединенному с полостью расширения V1 роторного двигателя внешнего сгорания — блок Б1.

B качестве источника холода предлагается использовать корпус (рубашку ребристую) детандера, а также блок 14, через который пропускается рабочее тело — гелий, имеющее низкую температуру на выходе из детандера, Предварительный охладитель 9 и предварительный нагреватель 10 считает возможным объединить в регенерэтор при испытаниях образцов устройства.

Необходимое управление клапанами l2 и 13 предлагается осуществить посредством привода от двигателя (блока Б1), считаем возможным в качестве клапанов использовать клапана, работающие от разности давлений рабочего тела.

В процессе работы рабочее тело в предложенной ТКГМ движется в форме импульсов в направлении, показанном стрелками

V> и Ч2. 8 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 движения горячего V< и холодного Vz потоков рабочего тела. Таким образом, в процессе работы

ТКГМ, блок Б1 — имеет повышенну ютемпературу (горячий). а блок Б2-детандер имеет низкую температуру(криогенная область температур), При работе ТКГМ, показанной на фиг. 9, 5 l0

98, в полость V1 блока Б1, поступает рабо- 50 чее тело из полости V2 блока Б2, при этом в полости V2. образуется горячее рабочее тело повышенного давления, 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 елий перемещает1 ся 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 расширения V1 блока Б1.

Особенностью конструктивной схемы

ТКГМ по примеру 6, является выполнения, практически, любым требуемым — соотношение объемов рабочих камер двигателя (блок 1 — фиг, 9 Б, 8) и детандера (блок Б2).

При конструктивной разработке устройства по примеру 6, приведенного на фиг. 98 (вид сверху), важным является требование расположить клапан 13 возможно ближе к впускному окну 5, с целью снижения потерь давления при расширении рабочего телагелия в полости V1, а клапан 12 рекомендуется располагать возможно ближе к впускному окну 5 детандера (блок Б2). Оп1 тимальный угол между роторами, установленными на общем эксцентриковом валу в блоках Б1 и Б2 (фиг. 9Г), определяется при исследованиях образцов TKfM, и может достигать 90О, 8 качестве источника тепловой энергии для нагрева нагревателя 7 блока 1 можно испольэовать, например, солнечную энергию, направляемую на нагреватель 7 от зеркальных отражатель, тепловую энергию от сжигания топлива и т, д.

Пример 7.Нафиг.9А,Б,B,Ã,Ä показана схема теплоиспользующей криогенной газовой роторной машины (ТКГМ);. которая отличается от описанной в примере

6 тем, что с целью исключения объема газового канала, заполняемого рабочим телом при его расширении в полости расширения

V1 двигателя (блок Б1), клапан в газовом канале (клапан 13 — фиг. 108) заменен клапаном, образуемым ротором при его вращении в рабочей камере двигателя, а впускное окно для рабочего газа перенесено из корпуса двигателя в его крышку, обращенную к детандеру.

На фиг. 10А изображен ТКГМ, вид спереди; на фиг. 10 Б — корпус роторного двигателя в разрезе (блок 1); на фиг, 10 8—

ТКГМ, вид сверху; на фиг. 10 à — корпус детандера в разрезе (блок 2), на фиг. 10 Д— блоки Б1 и Б2 для наглядности развернутыми на эксцентриковом валу 2, в разрезе.

На фиг. 10А, Б, 8, Г, Д вЂ” изображены; основание 1, на котором установлен блок

Б1, являющийся роторным двигателем внешнего сгорания и блок Б2, являющийся детандером, ротора которых связаны одним эксцентриковым валом 2, блок 1 включает корпус 3 с рабочими камерами V1 и V2, ротор 4, впускное окно 5, выполненное в крышке корпуса для пропуска рабочего те1795237

18 ла-гелия, выпускное окно 6, выполненное в корпусе 3, нагреватель 7 установлен перед впускным окном 5, к выпускному окну 6 подсоединены трубки, которые проходят последовательно через испаритель в зоне А регенератара 8, предварительный охладитель 9, при работе охлаждаемый, например, водой, регенератор 11, клапан 12. впускное окно 51 блока Б2, блок Б2,рключает корпус

3 с рабочими камерами V1 и V2, ротор 41, впускное окно 5", выпускное окна 6, на выходе которого установлен (при необходимости) дополнительный охладитель 14, клапан 13, регенератор 11, буферная полость 10, конденсатор в зоне Б регенератора 8, нагре:,ватель 7, впускное окно 5, полость расширения Ч1. В качестве буферной полости 10 можно использовать соединительные трубки

1л трубки теплообменников канала при соответствующем их объеме.

При работе ТКГМ горячее рабочее телогелий при выпуске из выпускного окна 6 блока Б1 (фиг. 10В) по стрелке Y поступает в испаритель — зону А регенератора 8, выполненного в виде тепловой трубы, где передает теплоту рабочему веществу . тепловой трубы, по которой теплота поступает от испарителя к конденсатору — эона Б егенератора 8; от испарителя регенератора 8 рабочее тело — гелий поступает в предварительный охладитель 9, далее — в . 11егенератор 11, выполненный, например, в виде "труба в трубе" с противоточным движением рабочего тела в его трубопроводах, в регенератаре 11 горячее рабочее тело, перемещаемое по трубопроводу по стрелке Ч1, передает тепло холодному рабочему телу — гелию, который. после выхода из детандера, перемещается rio второму трубопроводу па стрелке V2, после выхода иа регенератара 11, охлажденное рабочее тело при повышенном давлении поступает чЕрез клапан 12 (дюза и т. и.) и впускное окно 5 в детандер-блок Б2. В детандере при расширении рабочего тела происходит понижение его температуры до значений, определяемых конструкцией ТКГМ. Далее, при повороте ротора 4 детандера, рабочее тело с низкой (криогенной) температурой переме1Цается ротором в полость Ч2, откуда через клапан 13, регенератор 11, буферную полость 10, конденсатор зоны Б регенератора 8, нагреватель 7, впускное окно 5 гелий поступает в полость расширения

V1. Буферная полость 10 предназначена для предотвращения резкого повышения давления рабочего тела после закрытия ротором 4 впускного окна 5, когда ротор 4 блока Б2 продолжает перемещать рабочее тело в ка45

55

При решении вопроса о выборе оптимального варианта ТКГМ, в основу выбора следует принять технические требования к устройству.

При требовании обеспечения самапуска оптимальным является вариант ТКГМ . по примеру 2, при требовании обеспечения высокой сбалансированности вращающихся масс-оптимальным следует считать устройство по примеру 4, при необходимости обеспечения возможно большей халодопроизводительности ТКГМ оптимальными являются устройства по примерам 3,6и 7, нал, включающий регенератор 11, полость

10, нагреватель 7 — от закрытия клапана 13..

После закрытия клапана 13, в канале ТКГМ, включающем регенератор 11 (его канал за

5 клапаном 13), полость 10 и нагреватель 7,— рабочее тело может находиться при повышенном давлении, которое используется для подачи гелия в полость Ч1 двигателя при открытии впускного окна 5 ротором 4 при его

10 повороте на валу 2. С целью более четкого понимания особенностей предлагаемой

ТКГМ, рассмотрим конструктивные отличия корпусных групп ее двигателя по примеру 1, Сравнивая конструкции, показанные на

15 фиг. 2 и фиг. 11 видим, что на фиг, 11А, Б впускное окно 16 выполнено в крышке корпуса двигателя, а на фиг. 2А, Б — в корпусе;

° кроме того, на фиг. 11Б, Г видим, что на торцовых сторонах ротора 5 выполнены вы20 емки 19, 19 и 20, 20, предназначенные для

1 1 пропуска рабочего тела, поступающего при работе двигателя из впускного окна 5 в полость Ч1 рабочей камеры двигателя. а также сквозные отверстия в роторе 5 для выравни25 вания давления на его торцах, другими по форме являются торцовые уплотнения ротора, показанные на фиг. 11Г. Сравнивая фиг, 3 и фиг. 12 видим, что на фиг. l2A в крышке

7 выполнено впускное окно 16 для пропуска

30 рабочего тела при работе двигателя, что видим и на фиг . 128, кроме того, на фиг. 12В— на торцовых сторонах ротора 5 показаны выемки 21 и 21, 22 и 22, а в корпусе 1 показано одно выпускное окно 17.

35 Работа ТКГМ по примеру 7 подобна работе ТКГМ па примеру 6 и, cooTBGTGTBGHHO, по примеру 1 с тем отличием, что ротор при вращении периодически перекрывает впускное окно 5, тем самым управляет поступ40 лением рабочего тела ат нагревателя 7, через впускное окно 5, выемки 15, 15 и 16, -„1

1 l6 в полость расширения Ч1, изображенную на фиг. 10Б, В,Д, фиг. 11 и фиг. 12.

19

1795237

Формула изобретения

1. Теплоиспользующая криогенная газовая роторная машина, включающая замкнутый контур, содержащий роторное устройство с рабочей камерой, разделенной ротором на полости расширения и сжатия и два рекуператора, отличающаяся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, рабочая камера выполнена конхоидной формы, ротор — двухвершинным, радиальные поверхности ротора выполнены также по конхоиде, в контур дополнительно включены детандер и нагреватель, причем первый рекуператор установлен с возможностью обеспечения 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 расширения, 2, Машина по и. 1, о т л и ч а ю ща я с я тем, что, с целью повышения надежности, дополнительно содержит две пары шестерен с одинаковыми характеристиками. при5 чем одна из шестерен в каждой паре установлена на торцовой стороне ротора. а другая — на крышке корпуса устройства.

З.Машина по и, 1. отличающаяся

10 тем, что, с целью улучшения условий эксплуатации, ротор выполнен с охлаждающими каналами, подключенными к постороннему источнику или к своему замкнутому контуру, 15 4. Машина поп. 1,отл и ча ю ща я с я тем, что, с целью повышения экономичности, детандер соединен с роторным устройством общим валом и установлен на общем основании,. а рабочая камера детандера вы20 полнена по конхоиде.

1795237

5 в

Фиг.2

1795237

3795237

1795237

1795237

В гд

Фиг,7

5 d 6

Б

Б2

1795237

1795237

?1 Я2

1795237

У5 Г4 О

Фиг.I2

Составитель А,Чащинов

Техред М.Моргентал Корректор М.Слывка

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 420 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж 35, Раушская наб.. 4/5