Роторный двигатель кашеварова "рдк-18" и способ его работы

 

Изобретение относится к области двигателестроения и позволяет повысить экономическую эффективность изготовления и эксплуатации двигателей. РДК-18 имеет статор с ротором и с камерой сгорания, в которую вдувается сжатый воздух с угольной пылью, а затем из форсунок на теплоинерционный воспламенитель подается жидкое топливо с угольной пылью или газообразное топливо. Продукты сгоревшего топлива вращают ротор с рабочим валом, а выхлопные газы в выхлопной трубе, как в теплообменнике, превращают воду, закаченную в трубочки насосом, в пар, который затем вводится в камеру сгорания после воспламенения топлива, охлаждает внутренние поверхности камеры до 600^oС, и перегретый до 500^oС пар смешивается с продуктами сгоревшего топлива в парогаз, который и вращает ротор в камере расширения, во много раз большей чем у известных ДВС равной массы. 2 с. и 5 з.п.ф-лы, 6 ил.

РДК-18 относится к двигателям внутреннего сгорания (ДВС) и предназначен для автомобилей, тракторов, тепловозов, кораблей морского и речного флотов, теплоэлектростанций (ТЭС), а также для устройств различного назначения в промышленной и сельской технике в качестве ДВС.

За прототип РДК-18 может быть принят поршневой дизель (БЭС, второе изд. т. 13, с. 423) или роторный двигатель (патент Великобритании N 1574549, м. кл. F 02 B 53/00 1980), который имеет малый КПД и малую удельную мощность, обусловленные большим трением заслонки о ротор и ротора о статор, а также большую утечку газов в зазоры между ротором и статором и между заслонкой и ротором и большие тепловые потери.

РДК-18 не имеет этих недостатков благодаря наличию пластинчатых пружин, перекрывающих зазоры между дверцей (выполняющей роль заслонки) и ротором и между ротором и статором, а также благодаря наличию механизма движения дверцы, воспринимающего на себя давление газов, оказываемое на дверцу, и определяющего величину зазора между дверцей и ротором. Кроме того, РДК-18 имеет существенно больший объем (литрах) камеры расширения, чем роторный двигатель по патенту N 1574549, и теплоизолирующие покрытия, уменьшающие тепловые потери РДК-18.

Недостатки устройства по патенту N 1574549 исключили целесообразность его реализации как двигателя не конкурентно-способного поршневым ДВС. По этой причине сравнение характеристик РДК-18 произведем с дизелем.

Основные конструктивные отличия РДК-18 от дизеля состоят в следующем: в камеру сгорания поступает воздуха, сжатый компрессором и охлажденный в баллоне, исключающий необходимость в тактах всасывания и сжатия воздуха в ДВС; давление газов сгоревшей топливной смеси непосредственно преобразуется во вращение ротора с исключением кривошипно-шатунного механизма и коленчатого вала и заменой поршня на дверцу с механизмом ее движения; в статоре образуются во время одного оборота ротора камеры расширения и удаления отработанных газов между внутренними поверхностями статора, наружными - ротора и боковыми поверхностями дверцы, касающейся своим торцевым краем с пружиной цилиндрической поверхности ротора, имеющего ось вращения, совпадающую с осью круговой цилиндрической поверхности статора; дверца, вращающаяся на оси, установленной на образующей цилиндрической поверхности статора, отделяет камеру расширения от камеры отработавших выхлопных газов, в соответствии с этим по одну сторону дверцы установлена камера сгорания цилиндрической формы, соединенная отверстием с камерой расширения, по другую сторону дверцы установлена труба выхлопных газов, соединенная с камерой выхлопных газов; камера расширения отделена от камеры выхлопных газов кроме дверцы с одной стороны еще и цилиндрической поверхностью ротора, скользящего своей пластинчатой пружиной по цилиндрической поверхности статора; тепловая энергия выхлопных газов используется в выхлопной трубе, как в теплообменнике, для превращения воды, подаваемой водяным насосом под большим давлением (до 200 кг/см²) в трубку, установленную с помощью ее радиаторных ребер коаксиально в выхлопной трубе, в пар с температурой, близкой к температуре выхлопных газов, поступающих в выхлопную трубу из камеры расширения РДК-18; пар высоких параметров поступает в камеру сгорания двигателя после воспламенения топливной смеси, увеличивая объем рабочего тела, поступающего в камеру расширения, и одновременно охлаждает стенки камеры сгорания и прилегающие к ней поверхности двигателя, а также уменьшает температуру продуктов сгоревшего топлива при одновременном увеличении потенциальной механической энергии парогаза сгоревшей топливной смеси и поступившего пара.

Благодаря этим существенным отличиям от ДВС РДК-18 имеет рабочий ход при каждом обороте ротора, и отношение объема камеры расширения к массе двигателя более чем в 10 раз превышающее аналогичное отношение в лучших ДВС, в результате чего удельная мощность РДК-18 более чем в 20 раз превышает удельную мощность известных ДВС, а КПД увеличивается более чем в 2 раза по сравнению с ДВС и газовыми турбинами. При этом более чем в 20 раз уменьшается стоимость изготовления РДК-18 по сравнению со стоимостью изготовления ДВС равной мощности, и одновременно повышается в 2-3 раза срок эксплуатации РДК-18 по сравнению со сроком эксплуатации ДВС. Увеличение срока эксплуатации РДК-18 обусловлено тем, что в нем давление газов непосредственно преобразуется во вращение ротора, и скорость движения дверцы в несколько раз меньше скорости движения поршня в ДВС при равной скорости вращения рабочего вала ДВС и РДК-18 с равным моментом сил его вращения. К тому же нагрузка на вал вращения ротора передается в 3-4 раза равномернее, чем нагрузка на коленчатый вал при движении поршня в четырехтактном ДВС, в результате чего в РДК-18 исключен маховик, имеющийся в ДВС.

РДК-18 имеет устройство, позволяющее заменить более 50% жидкого или газообразного топлива на угольную пыль, имеющую в 2-3 раза меньшую стоимость, в результате чего существенно снизятся затраты на топливо, расходуемое ДВС, и будет совершен весьма актуальный новый шаг в уровне техники по использованию каменного угля для работы ДВС с КПД, превышающим в 2-3 раза все известные двигатели, работающие на каменноугольном топливе. РДК-18 не имеет аналога как ДВС, работающий на угольной пыли, вдуваемой в камеру сгорания, и использующий тепло выхлопных газов для получения пара высоких параметров, перегреваемого затем в камере сгорания, которую он охлаждает, и вводимого в камеру расширения двигателя для увеличения его мощности и КПД.

Актуальность замены жидкого и газообразного топлива в двигателях XXI века на каменный уголь определяется тем, что в XXI в. будут полностью израсходованы природные месторождения нефти и газа и в качестве углеводородного топлива будет использоваться в основном каменный уголь, природные залежи которого во много раз превосходят природные запасы нефти и газа.

Устройство РДК-18 поясняется фиг. 1 - 6, где на фиг. 1 - дано его поперечное сечение (сечение по А-А на фиг. 2); на фиг. 2 - сечение по Б-Б на фиг. 1; на фиг. 3 - сечения по В-В, Г-Г и Д-Д на фиг. 2; на фиг. 4 - сечение по А-А части РДК-18 в 2 раза более крупном масштабе чем на фиг. 1 и с поворотом ротора на 30^o; на фиг. 5 - сечение по Е-Е на фиг. 4; на фиг. 6 - сечение по Ж-Ж на фиг. 4.

Описание РДК-18 дано применительно к его использованию в качестве автомобильного ДВС взамен ныне используемых и в качестве ДВС для ТЭС взамен газовых и паровых турбин, ныне используемых, как имеющий лучшие технико-экономические характеристики.

РДК-18 имеет статор 1 и ротор 2 с валом 3, ось вращения которого совпадает с геометрической осью внутренней круговой цилиндрической поверхности статора 1. Вал 3 соединен с втулкой 4 ротора 2, которая соединена радиальными пластинами 6 с цилиндрическим ободом ротора 2. Вал 3 установлен в подшипниках 5 торцевых стенок статора 1. По образующей наружной цилиндрической поверхности статора 1 установлена ось 7 вращения дверцы 8.

Поверхность статора 1, ротора 2 и дверцы 8 образуют камеру 9 расширения (рабочего хода ротора 2) и камеру 10 выхлопа (удаления) отработанных газов. Камера 9 отделена от камеры 10 дверцей 8 с пластинчатой пружиной 11, которая скользит по цилиндрической поверхности ротора 2, и ротором 2 с пластинчатой пружиной 12, которая скользит по цилиндрической поверхности статора 1.

Камеры 9 и 10 возникают в момент прохода роторной пружиной 12 дверцы 8, перекрывающей окно 13 камеры сгорания 14 в камеру 9. Камера сгорания 14 образована сферическими стенками 15 с термоизолирующим жаростойким покрытием 16. Между стенками 15 камеры установлен жаростойкий металлический корпус 17 теплоинерционного воспламенителя с электронагревательным диском 18. Теплоинерционный воспламенитель имеет устройство, аналогичное устройству нагревательного круга электроплиты. Он установлен на кронштейнах 19 в средней части камеры сгорания 14 с электропроводом нагревательного диска 18, проходящим к диску 18 в керамической изоляции 20. Камера сгорания 14 имеет клапан 21, через канал 22 которого в окна 23 камеры 14 поступает сжатый воздух из камеры 24, соединенный с баллоном для воздуха, сжатого компрессором. Клапан 21 открывается в тот момент, когда дверца 8 почти перекрывает окно 13 и закрывается в момент начала открытия дверей 8 окна 13. В этот же момент производится впрыск топлива через форсунки 25 и 26 и воспламенение топлива, микрокапли которого из форсунок 25 попадают на раскаленный корпус 17 теплоинерционного воспламенителя, в результате чего реализуется калильное зажигание всего топлива, поступившего в камеру 14 из форсунок 25 и 26.

На стороне камеры 14, противоположной окнам 23, прорезаны окна 27, перекрытые клапаном 28, установленным между камерой 14 и паровой камерой 29. Клапан 28 имеет канал 30, соединяющий паровую камеру 29 с камерой 14 в момент открытия дверцы 8 сразу после воспламенения топлива в камере 14. В этот момент пар под давлением, близким к давлению сгоревшей топливной смеси в камере 14, начнет поступать в камеру 19 из трубочек 31, коаксиально установленных радиаторными пластинами 32 в выхлопной трубе 33, соединенной окном 34 с камерой 10. В трубочки 31 водяным насосом под давлением до 200 кг/см² накачивается вода из бака, установленного, например, под сидением водителя автомобиля.

Выхлопная труба, выполняя роль теплообменника, нагревает воду выхлопными газами, превращая ее в пар, который с температурой, близкой к температуре отработанных выхлопных газов, выходящих из двигателя, поступает в паровую камеру 29, а выхлопные газы выходят из выхлопной трубы с температурой, близкой к температуре воды, поступающей в трубочки 31.

Паровая камера 29 имеет продольные перегородки 35, противостоящие высокому давлению пара, между которыми пар проходит от трубочек 31 до клапана 28, установленного в этих перегородках 35.

Клапаны 21 и 28 имеют оси их вращения 36 и 37, на концах которых закреплены шестерни 38 и 39, установленные в картерной коробке 40 и находящиеся в зацеплении с сателлитной шестерней 41, которая, в свою очередь, находится в зацеплении с шестерней 42, установленной на вале. Шестерни 38, 39 и 42 имеют равные между собой диаметры и установлены (закреплены) на своих осях так, что клапан 21 соединен камеры 24 и 14 в момент перекрытия дверцей 8 окна 13. При этом сжатый воздух успевает вытеснить остатки пара и газа из камеры 14 в камеру 10, а затем заполнить камеру 14 сжатым воздухом при полностью перекрытом окне 18 дверцей 8. В этот момент электроконтакт 43 шестерни 38 касается контакта, установленного на торцевой стенке камеры 40, в результате чего срабатывают форсунки 25 и 26 с воспламенением впрыскиваемого через них топлива. В завершающий момент впрыска топлива в камеру 14 начинает открываться клапана 28, соединяя паровую камеру 29 с камерой 14. Одновременно начинает открываться окно 13 дверцей 8 в результате того, что ротор 2 освобождает дверцу 8, проходя пружиной 12 за конец пружины 11, а давление газов сгоревшего топлива создает стремительное вращение дверцы 8, скользящей своей пружиной 11 по почти плоской поверхности вращающегося ротора 2. С началом воспламенения топлива, т.е. с началом работы форсунок 25 и 26, клапан 21 перекрывает соединение камер 14 и 24, а клапан 28 начинает соединение камер 14 и 29, которое прерывается клапаном 28 после того, как ротор 2, а следовательно, и клапан 28, повернется на 1/5 - 1/6 своего рабочего хода, т.е. на 40 - 50^o после освобождения пружины 11 дверцы 8.

Во время заполнения камеры 14 сжатым воздухом его струя из канала 22 клапана 21 обтекает раскаленную поверхность 16 камеры 14, охлаждая ее и нагреваясь от нее до температуры 200 - 300^oС за 5/6 оборота ротора 2 перед воздушным охлаждением стенок 14 камеры 14, эти стенки охлаждались паром, выходящим из канала 30 клапана 28, с температурой в 300 - 500^oС, который от соприкосновения с поверхностью 16 стенок 15 камеры 14 нагревался до 600 - 700^oС, удаляя газы сгоревшего топлива в камеру расширения 9 и смешиваясь с ними, поддерживает высокое давление парогаза на ротор 2 и дверцу 8. На фиг. 4 стрелками показано движение пара при открытом клапане 28 из камеры 29 в камеру 14 и далее в камеру 9 в начале рабочего хода ротора 2. Против воспламенителя 17 окна 22 и 30 перекрываются для того, чтобы выходящие из них струи сжатого воздуха и пара в меньшей мере охлаждали воспламенитель 17, чем стенки камеры 14, а также для установки по середине окон 22 и 30 осей 44 и 45 вращения клапанов 21 и 28 в муфтах 46 и 47 статора 1, воспринимающих часть давления газов и пара на клапаны 21 и 28, другая часть давления воспринимается аналогичными муфтами 46 и 47, установленными на статоре 1 по краям камеры 14 против торцевых стенок 48 и 49 статора 1.

В картерных коробках 50, установленных на торцевых стенках 49, помещены эксцентрики 51 и 52, установленные на вале 3, и рычаги 53 на осях 7 и 54 дверцы 8.

Рычаг 53, установленный на оси 7 дверцы 8 и скользящий по цилиндрической поверхности левого ротора 2, скользит по цилиндрической поверхности эксцентрика 51, и рычаг 53, установленный на оси 54 дверцы 7, скользит своей пружиной 11 по правому ротору 2, скользит по эксцентрику 52. Для обеспечения скольжения рычагов 53 по своим эксцентрикам 51 и 52 в картерные коробки 50 залито машинное масло через отверстия, перекрытые пробками 55, до уровня, необходимого для его разбрызгивания во время вращения эксцентриков 51 и 53. Оси 7 и 54 стыкуются (но не соединяются) торцами в муфте, установленной над торцевой стенкой 48. Картерная коробка 40, установленная на внешней торцевой стороне картерной коробки 50 (левой или правой), также имеет машинное масло, залитое в отверстие, перекрытое завинчивающейся пробкой 56, до уровня, необходимого для его разбрызгивания при вращении шестерни 42 с целью смазки зацеплений соответствующих шестерней между собой. Картерные коробки 40 и 50 герметичны, и залитое в них масло не расходуется. Для замены летнего масла на зимнее (и наоборот) в нижней части коробок 40 и 50 имеются отверстия, перекрытые пробками, аналогичные пробкам 55 и 56. На статоре 1 установлен бачок 57 с машинным маслом, предназначенным для смазки внутренней цилиндрической поверхности статора 1. Бачок 57 имеет трубочку 58, соединяющую воздух, находящийся над уровнем масла, с камерами 9 и 10 и два ряда отверстий 59 в статоре 1, через которые масло микропорциями вытекает из бачка 57 в камеру 10 при проходе пружины 12 отверстия трубочки 58 в тот момент, когда отверстие трубочки 58 будет находиться в камере 9 с высоким давлением газов, а отверстия 59 - в камере 10 с низким давлением выхлопных газов. Бачок имеет отверстие для заливки масла, перекрытое завинчивающейся пробкой 60, герметизирующей его.

Для уменьшения затрат на топливо в воздух, поступающий в камеру сгорания, вводится угольная пыль в количестве, например, равном количеству жидкого или газообразного топлива по его теплотворной способности. Такая концентрация угольной пыли в сжатом воздухе, вводимом в камеру 14, исключает вероятность возникновения самопроизвольного взрыва, но в 2 раза снижает расход жидкого или газообразного топлива.

Угольная пыль засыпается в бункер 61, имеющий завинчивающуюся пробку для его герметизации. Из бункера 61 угольная пыль заполняет емкость 62 вращающегося дозатора 63 и при повороте его на 180^o высыпается в пылевод 64 и через него в канал 22 вращающегося клапана 21. При дальнейшем повороте клапана 21 канал 22 соединит камеры 24 и 14, в результате чего сжатый воздух камеры 24 вдует всю угольную пыль из канала 22 в камеру 14.

На правых концах оси вращения 36 клапана 21 и оси вращения 65 дозатора 63 установлены равные по величине шестерни 66 и 67, находящейся во взаимном зацеплении. При этом шестерня 67 дозатора 63 имеет шлицевое соединение с осью 65 и может быть выведена из зацепления с шестерней 66, если в бункер не засыпана угольная пыль, и работа РДК-18 будет выполняться только на жидком или газообразном топливе.

На ТЭС работа РДК-18 производится только при наличии в бункере 61 угольной пыли и по этой причине только при зацеплении шестерен 66 и 67.

В камеру 14 через форсунки 25 и 26 поступает природный газ от магистрального газопровода. Для воспламенения природного газа в верхней части камеры 14 установлены электросвечи 68. При этом форсунки 25 направлены на электросвечи 68.

Статор, ротор и паровая камера имеют теплоизолирующее покрытие 69 (как и покрытие 16), обозначенное на фиг. крестообразной штриховкой.

Дверца 8 по краям имеет ребра жесткости 70 (фиг. 6). В ребре жесткости 70 выточен паз 71, в котором размещены подпружиненный вкладыш 72 с пружиной 73. Вкладыш 72 при вращении дверцы 8 скользит по торцевой поверхности 48 статора 1, перекрывая зазор в 0,1-0,2 мм между ребрами жесткости 70 и поверхностью 48 и препятствуя тем самым утечке парогаза.

Работа РДК-18 и его эффективность.

РДК-18 может работать на газообразном и жидком топливе. В жидкое топливо может добавляться пылевидный каменный уголь в пропорции, при которой стабильно (надежно) работает форсунка 48. Возможность использования пылевидного угля в РДК-18 обусловлена во много раз большими зазорами между цилиндрической поверхностью статора и заслонкой, чем между поршнем и цилиндром в ДВС. По этой причине частицы золы, образующейся после сгорания пылевидного угля, проходят в вышеупомянутые зазоры без абразивного воздействия на цилиндрическую поверхность статора. Кроме того, эти частицы еще продуваются паром, поступающим в камеру 9 из паровой камеры 29 при каждом обороте ротора 2. Использование пылевидного угля, вдуваемого в камеру сгорания сжатым воздухом и добавляемого в жидкое топливо (например, в дизельное) в количестве, при котором надежно работают форсунки 25 и 26, может существенно уменьшить затраты на топливо для работы РДК-18.

При переходе с одного топлива на другое производят изменения в установке выпускного клапана компрессора для получения сжатого воздуха с давлением, соответствующим октановому числу применяемого топлива для работы РДК-18.

Перед пуском РДК-18 производят заполнение баков для воды и жидкого топлива или баллонов для сжиженного газа и засыпку угольной пыли в бункер 61, а также заполнение баков 57 и картерных коробок 40 и 50 машинным маслом до заданного уровня. При этом обращают внимание на герметичность баков, бункеров и картерных коробок в результате завинчивания в них пробок, перекрывающих отверстия, предназначенные для заполнения их емкостей соответствующим заполнителем.

Пуск РДК-18 может производиться при любой температуре наружного воздуха за 1-2 мин времени нажатием клавиши "Пуск". При этом компьютер включает в электроцепь аккумулятора электронагреватель 18, разогревающий наружный корпус 17 воспламенителя до температуры, достаточной для калийного воспламенения топлива, выпускаемого из форсунок 25 на корпус 17. Через минуту времени, необходимого для разогрева корпуса 17 воспламенения, электронагреватель 18 выключается, включаются компрессор, топливный насос, стартер и форсунки 25 и 26, в результате чего РДК-18 начинает работать, а стартер автоматически выключается после 1-2 оборотов ротора 2. Через 1-2 мин работы РДК-18 включаются водяной насос и в трубочки 31 начинает поступать вода, которая, отбирая тепло от выходных газов через стенки трубочек 31 и с помощью радиаторных пластин 32, на полпути к паровой камере 29 превратится в пар высоких параметров с давлением более 100 кг/см² и с температурой более 300^oС. Этот пар из камеры 29 через канал 30 периодически открывающегося клапана 28 начнет поступать в камеру 14 после воспламенения в ней топливной смеси (из жидкого или газообразного топлива) и сжатого воздуха с угольной пылью. При этом температура пара будет повышаться от раскаленных стенок камеры 14, а стенки камеры 14 будут охлаждаться до 600^oС, и пар, смешиваясь с газами сгоревшей топливной смеси, будет поступать в камеру расширения 9, увеличивая работу, совершаемую ротором 2 за свой рабочий ход.

Существенным отличием охлаждения камеры сгорания и прилегающих к ней поверхностей РДК-18 является то, что тепловая энергия поверхностей охлаждаемых паром не теряется, а используется для получения дополнительной механической энергии движения ротора двигателя, и при этом используются те же устройства этого двигателя, что и для выработки механической энергии за счет тепловой энергии сжигаемого топлива. Существенным для повышения КПД двигателя является то, что охлаждаются паром поверхности, непосредственно подвергающиеся нагреванию раскаленными газами сгоревшего топлива, т.к. эти поверхности изолируются не теплопроводным покрытием от металлических деталей двигателя, защищая их от воздействия высоких температур. Кроме того, теплоизоляционное покрытие обладает малой теплоемкостью и для его нагревания и охлаждения требуется во много раз меньшая затрата тепловой энергии, чем для нагревания и охлаждения металла деталей, не защищенного теплоизоляцией. По данному признаку РДК-18 может конкурировать с керамическим ДВС, существенно превосходя его по всем другим технико-экономическим характеристикам.

Сжатый воздух в камеру сгорания поступает из камеры 24 с температурой наружного воздуха, а стенки камеры сгорания до поступления в нее воздуха из камеры 24 были уже охлаждены паром до температуры в 500 - 600^oС. По этой причине воздух, охлаждая стенки камеры 14, нагревается до 200 - 300^oС, т.е. до в 2 - 3 раза меньшей температуры, чем сжатый воздух в камере сгорания ПДВС, и при равном объеме камер сгорания РДК-18 и ПДВС в камеру сгорания РДК-18 заходит в 2 - 3 раза большая масса воздуха равной степени сжатия с учетом того, что при меньшей температуре сжатого воздуха допустима большая степень его сжатия, в камеру сгорания РДК-18 будет заходить масса воздуха более чем в 2 раза превышающая массу воздуха, заходящую в камеру сгорания равного объема ПДВС.

Охлаждение сжатым воздухом камеры 14 производится до минимально-возможной температуры сжатого воздуха заполнившего камеру 14, т.к. чем ниже будет эта температура, тем ниже будет и максимальная температура горения топливной смеси и тем меньше будет ядовитых окислов азота в выхлопных газах двигателя. Меньше будут тепловые потери, меньше будет тепловое воздействие на материал стенок, соприкасающихся с раскаленными газами, меньше будет потеря тепловой энергии, расходуемой на диссоциацию (при температуре выше 2000^oС водяного пара на H₂ и O₂ и углекислого газа на CO и O₂, меньше будет затрата тепла на теплоемкость воздуха и водяного пара, возрастающая с увеличением температуры газов сгоревшего топлива. В результате этих изменений увеличивается разность температур до воспламенения топлива и после его сгорания, следовательно, увеличивается давление газов сгоревшего топлива и полезная работа, произведенная ими. Этому положительному признаку будет содействовать меньшая теплоемкость поверхности стенок, соприкасающихся с раскаленными газами, имеющие теплоизолирующее покрытие.

Уменьшение температуры сжатого воздуха перед воспламенением топлива не будет препятствием для его воспламенения, т.к. оно будет происходить в результате возникновения калильного зажигания в момент попадания микрокапель топлива на теплоинерционный воспламенитель, температура корпуса 17 которого будет выше температуры воспламенения топлива. С целью уменьшения степени охлаждения воспламенителя 17 против него окна 23 и 27 перекрываются муфтами 46 и 47 (фиг. 5), и охлаждающие струи пара и воздуха проходят мимо воспламенителя 17, не охлаждая его.

Сжатие воздуха в компрессоре будет с затратой в 2-3 раза меньшей механической энергии, чем в ПДВС, т.к. в компрессоре сжимаемый воздух охлаждается корпусом статора и его радиальными ребрами, а в ПДВС сжимаемый воздух нагревается от горячих поверхностей поршня и цилиндра. В компрессоре при работе по сжатию воздуха участвуют механизмы, выполненные в расчете на мощность производимой работы в 10 раз меньшую, чем в ПДВС, в котором эту же работу по сжатию равного количества воздуха производят механизмы, рассчитанные на выполнение работы по времени рабочего хода поршня, т.е. на мощность в 10 раз большую, чем затрачиваемая в компрессоре, следовательно, и абсолютные потери энергии ПДВС в процессе сжатия воздуха будут в 10 раз больше абсолютных потерь энергии компрессора на сжатие равного количества воздуха до равного давления. При этом основным преимуществом сжатия воздуха с помощью компрессора по сравнению со сжатием воздуха в ПДВС является возможность исключить из работы ДВС этапы всасывания и сжатия воздуха и уже за счет только этого вдвое увеличить удельную мощность ДВС и существенно повысить его КПД. Кроме того, использование компрессора для сжатия воздуха дает возможность исключить декомпрессию, имеющую место в ПДВС, понизить максимальную температуру горения топливной смеси и ввести в камеру сгорания вместе со сжатым воздухом в его струе угольную пыль в качестве половины потребляемого жидкого топлива.

Использование последней возможности реализовано в РДК-18 путем создания герметичного бункера 61, заполненного угольной пылью, верхняя часть которого соединена патрубком, перекрываемым краном, с камерой 24. Из нижней части бункера угольная пыль пересыпается в емкость 62 вращающегося дозатора 63, а затем в согласованный с помощью шестерен 66 и 67 момент времени (выноска из фиг. 1) высыпается через пылевод 64 в канал 22 клапана 21. В следующий момент времени в результате дальнейшего поворота клапана 21 канал 22 соединяет камеру 24 с камерой сгорания 14, и сжатый воздух камеры 24 в своей струе вдувает в камеру 14 всю порцию угольной пыли, засыпанной из емкости 62 дозатора 63 в канал 22 клапана 21. Дозатор 63 подает в пылевод такое количество угольной пыли, которое создает ее максимально допустимую концентрацию в воздухе, вдуваемом в камеру 14 через клапана 21, исключающую вероятность угольной пыли и обеспечивающую ее полное сгорания вместе с жидким или газообразным топливом, вводимым через форсунки в камеру 14, заполненную воздухом с угольной пылью. При этом в жидкое топливо добавляют угольную пыль в максимально допустимом количестве, исключающем нестабильную (надежную) работу форсунок 25 и 26, впрыскивающих жидкое топливо с угольной пылью в камеру 14.

Угольную пыль изготовляют на специализированном производстве из высококалорийных и малозольных углей с размером частиц шаровой формы не более 20 мкм, например, по технологии, разработанной к.т.н Р.Бычковым (журнал ИР N 1, 1997, с. 9).

Возможность применения в РДК-18 угольной пыли в качестве топлива обусловлена зазором в 1-2 мм между поверхностями ротора 2 и статора 1, перекрытым пружиной 12, и между поверхностями ротора 2 и дверцы 8, перекрытым пружиной 11, а также продувкой камеры сгорания 14 и камеры расширения 9 паром высоких параметров.

Пар высоких параметрах получается за счет утилизации тепла выхлопных газов в трубочках 31, установленных с помощью радиаторных пластин 32 в выхлопной трубе 33, как в теплообменнике, из воды, закачиваемой в трубочки 31 водяным насосом с давлением более 100 кг/см². При этом вода в трубочках 31 движется в направлении, противоположном направлению движения выхлопных газов в выходной трубе 33, и выходит из трубочек 31 в камеру 29 в виде пара с температурой, немного меньше (не более 50^oС) температуры выхлопных газов, выходящих из камеры 9 в выхлопную трубу 33, а выхлопные газы выходят из выхлопной трубы с температурой, немного большой (не более 100^oС) температуры воды, нагнетаемой в трубочки 31 водяным насосом.

Пар с давлением более 100 кг/см² и температурой более 300^oС из камеры 29 через клапан 30 цилиндрического клапана 28 начинает поступать в камеру 14 в момент догорания в ней топливной смеси и совпадающий с моментом начала открывания дверцей 8 окна 13, соединяющего камеру 14 с камерой 9 в начальный момент рабочего хода (вращения) ротора 2, после прохода его пружины 12 пружины 11 дверцы 8. При этом в результате быстрого увеличения объема камеры расширения (в десятки раз быстрее, чем в ПДВС при равной скорости вращения вала от ВМТ на 10^o) давление газов в камере 14 с открытием канала 30 клапана 28 станет меньше давления пара, который, проходя в камеру 9, будет поддерживать в ней высокое давление парогаза на ротор 2 и дверцу 8, увеличивая объем рабочего тела - парогаза вплоть до закрытия канала 30 поворотом цилиндрического клапана 28 на угол в 20 - 30^o.

Во время открытия клапана 28 давление пара в камере 29 уменьшится в 1,5 - 2 раза, но вода, подаваемая насосом, продвинется по трубочкам 31 к камере 29, превращаясь в пар, который будет поддерживать высокое давление в камере 29. Камера 29 в этом случае выполняет роль стабилизатора давления пара, и ее объем выбирается таким, чтобы давление в ней пара не уменьшалось бы более чем в 2 раза при открытии клапана 28, а вода в трубочках не подвигалась бы более чем на половину их длины без превращения в пар. Пар, проходя через камеру 14, охлаждает ее стенки до 600 - 700^oС, нагреваясь за счет охлаждения стенок камеры 14, статора, ротора и дверцы до 500 - 600^oС и смешиваясь с газами сгоревшей топливной смеси, понижает их температуру без понижения давления парогаза в результате расширения пара при его нагревании и увеличения массы парогаза за счет поступления пара из камеры 29.

Таким образом, пар, полученный за счет утилизации тепла выхлопных газов и перегретый за счет охлаждения внутренних поверхностей камер 14 и 9, соприкасающихся с раскаленными газами сгоревшего топлива, увеличивает КПД и удельную мощность РДК-18 соответственно не менее чем в 2 и в 10 раз по сравнению с ПДВС. Таким образом не только реализуется утилизация до 90% тепла, теряемого в ПДВС с выхлопными газами, но и исключается необходимость в водяном охлаждении блока цилиндров ПДВС, уносящим до 30% тепловой энергии сгоревшего топлива.

Давление парогазовой смеси на дверцу 8 при рабочем ходе левого ротора 2 передается через ее ось вращения 7 на рычаг 53, который при вращении эксцентрика 51 скользит своим концом полуцилиндрической поверхности эксцентрика 51, смазанной маслом, залитым в картерную коробку 50. Таким устройством в любой момент вращения ротора 2 между краем дверцы 8 с пружиной 11 и цилиндрической поверхностью ротора 2 сохраняется зазор в 1-2 мм, перекрытый пружиной 11, которая прижимается к поверхности ротора только давлением парогаза непосредственно на нее вне зависимости от давления парогаза на всю поверхность дверцы 8. Во время открывания дверцей 8 окна 13 большое давление парогаза на дверцу 8 создает большое давление конца рычага 53 на плоскую часть эксцентрика 51, в результате чего возникает дополнительный крутящий момент силы давления рычага 53 на эксцентрик 51, увеличивающий крутящий момент сил давления парогаза на ротор 2.

Зазор в 1-2 мм между ротором 2 и статором 1 перекрыт пластинчатой пружиной 12, которая прижимается к поверхности статора, по которой она скользит, только давлением на нее парогаза, достаточным для того, чтобы исключить возможность утечки парогаза между ротором и статором. При сработке пружины 12 в такой мере, что между ней и поверхностью статора образуется зазор в 0,1 - 0,2 мм возможная утечка парогаза в такой зазор не будет иметь практического (существенного) значения, т.к. струя утечки парогаза должна обогнать ротор, а этому будет препятствовать скоростной напор выхлопных газов, находящийся между ротором и статором, и слой газов, прилегающих к поверхности статора и имеющих нулевую скорость. К тому же зазор в 0,1 - 0,2 мм, возникший между пружиной 12 и поверхностью статора, исключит трение пружины 12 о статор и дальнейшую обработку этой пружины, т.е. дальнейшее увеличение зазора. Дополнительной мерой, уменьшающей трение и сработку пружины 12, служит бачок 57 с машинным маслом, смазывающим пружину 12 при каждом ее проходе через отверстия 59, из которых выдавливаются микрокапли масла давлением газов, выходящих через трубочку 58 в бачок 57 перед проходом пружины отверстия 59.

Способ работы РДК-18 имеет следующие существенные отличия от известных способов работы ДВС.

1. Пуск двигателя производится при любой температуре наружного воздуха за 1-2 мин в результате нагрева теплоинерционного воспламенителя до температуры калильного зажигания топлива, впрыскиваемого из форсунок на воспламенитель, и подачи сжатого воздуха в камеру сгорания из баллона со сжатым воздухом, поступающим от компрессора.

2. Сжатый воздух вдувается в камеру сгорания с угольной пылью в количестве, избыточным для сгорания угольной пыли и жидкого или газообразного топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания через форсунки.

3. Тепловая энергия выхлопных газов используется в выхлопной трубе, как в теплообменнике, для получения пара высоких параметров, вводимого в камеру сгорания для охлаждения внутренних поверхностей ее стенок и одновременного перегрева пара высоких параметров, смешиваемого с газами сгоревшего топлива в камере расширения двигателя с увеличением КПД и мощности двигателя.

4. Сжатый воздух, вдуваемый в камеру сгорания с угольной пылью, одновременно используется для последующего охлаждения внутренних поверхностей ее стенок после охлаждения их паром высоких параметров.

5. В жидкое топливо, впрыскиваемое через форсунки в камеру сгорания, вводится угольная пыль в концентрации, при которой еще надежно работают эти форсунки.

6. Смазка силовых устройств, воспринимающих давление парогаза на дверцу, выведена из зоны высоких температур и давлений парогаза в герметичную картерную коробку, в которой это давление воспринимается рычагом и эксцентриком со смазкой машинным маслом при нормальной температуре и давлении воздуха, исключающих расход масла.

7. Смазка поверхности статора, по которой скользит пластинчатая пружина ротора, перекрывающая зазор между статором и ротором, производится из бачка с машинным маслом, установленным на статоре, микропорциями масла прим каждом обороте ротора в зоне допустимых температур для применения масла в качестве смазки.

8. Истирание пластинчатой пружины ротора в процессе длительной работы двигателя до величины, при которой возникает зазор между пружиной и поверхностью статора в 0,1 - 0,2 мм, исключает затем трение между пружиной и статором, заменяя ее воздушной смазкой, при которой не происходит дальнейшее истирание пружины и потерь энергии на трение, но допускается утечка парогаза, не имеющая практического значения для эффективности работы РДК-18.

Эффективность применения РДК-18 обусловлена в 2 раза большим КПД, в 20 раз большей удельной мощности, в 20 раз меньшей стоимостью изготовления двигателя равной мощностью, в 2 - 3 раза меньшей стоимостью затрачиваемого топлива на тоннокилометр транспортируемого груза при установке РДК-18 на грузовом автомобиле, в 2-3 раза меньшим загрязнением воздуха выхлопными газами при работе РДК-18 по сравнению с ПДВС равной мощности. Большое положительное значение для России имеет замена половины потребляемого жидкого топлива на каменный уголь, переход на использование которого вместо нефтепродуктов исторически неизбежен, и та сторона, которая раньше других стран реализует такую замену, будет иметь существенные технико-экономические преимущества и тем самым большие чем раньше, и в более крупных масштабах эта замена будет осуществлена.

Замена на РДК-18 паровых турбин с паровыми котлами в ТЭС позволит в 2 раза сократить количество потребляемого природного газа за счет использования угольной пыли и одновременно более чем в 2 раза увеличить выработку электроэнергии за счет 2 раза большего КПД РДК-18, чем у паровых турбин с паровыми котлами, работающими в базовом режиме, в то время как РДК-18 будет работать в режиме потребляемой электроэнергии, при котором станут ненужными гидроаккумулирующие станции, пожирающие до 35% перерабатываемой ими электроэнергии из ночной в дневную в соответствии с режимом ее потребления.

Таким образом, на производство каждого кВт-ч электроэнергии потребуется в 4 раза меньше затратить природного газа, а само производство электроэнергии увеличить в 2 раза за счет в 2 раза большего КПД РДК-18. При этом может быть снижена в 2 раза стоимость кВт-ч электроэнергии и увеличена рентабельность ТЭС за счет потребления угольной пыли как более дешевого топлива, чем природный газ. Съэкономленный на ТЭС природный газ может существенно увеличить валютные поступления России от его экспорта и от экспорта электроэнергии, выработка которой на ТЭС удвоится.

Формула изобретения

1. Роторный двигатель, содержащий статор, ротор, камеры расширения и выхлопных газов, камеры сгорания, патрубки подачи топлива и сжатого воздуха, отличающийся тем, что в статоре установлена дверца, перекрывающая окно в камеру сгорания и скользящая своей пластинчатой пружиной по цилиндрической поверхности ротора, отделяя камеру расширения от камеры выхлопных газов, на конце оси вращения дверцы установлен рычаг, скользящий по цилиндрической поверхности эксцентрика, закрепленного на валу вращения ротора в герметичной картерной коробке, установленной на торцевой стенке статора, с машинным маслом, залитым в картерную коробку до заданного уровня, на статоре установлена камера сгорания с теплоинерционным воспламенителем в ее средней части, с клапаном ввода в камеру сгорания сжатого воздуха и пара высоких параметров, при этом сжатый воздух вдувается с угольной пылью, ссыпаемой в клапан через пылевод из емкости дозатора, заполняемой при вращении дозатора угольной пылью из бункера, а пар высоких параметров вводится в камеру сгорания клапаном из паровой камеры, соединенной с трубочками, установленными в выхлопной трубе, как теплообменнике, и соединенными с насосом, поставляющих в них воду под давлением более 100 кг/см², клапаны впуска в камеру сгорания пара и воздуха имеют на концах своих осей вращения шестерни, находящиеся в зацеплении друг с другом и через шестерню-сателлит в зацеплении с равной им шестерней, установленной на оси вращения ротора, клапан воздуха имеет еще шестерню, установленную на противоположном конце оси его вращения и находящуюся в зацеплении с равной ей шестерней, установленной на оси вращения дозатора, ротор имеет пластинчатую пружину, скользящую по цилиндрической поверхности статора, статор имеет окна в камеру сгорания и в выхлопную трубу и бачок с машинным маслом, установленный на наружной цилиндрической поверхности статора с отверстиями во внутреннюю часть статора, имеющую температуру, допустимую для использования масла как смазки для пластинчатой пружины ротора, камера сгорания, дверца, статор, ротор, паровая камера и выхлопная труба имеют теплоизолирующее покрытие, уменьшающее тепловые потери двигателя, двигатель имеет две и более камеры расширения с роторами, камерами сгорания, дверцами и другими вышеперечисленными устройствами, установленными на статоре, при этом роторы установлены на валу вращения двигателя так, что их пластинчатые пружины скользят по диаметрально противоположным цилиндрическим поверхностям статора и у каждого ротора есть свой эксцентрик с рычагом на общей оси с дверцей данного ротора.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что герметичный бункер с угольной пылью установлен над дозатором с емкостью, заполняемой при вращении дозатора угольной пылью из бункера, которая при повороте дозатора вниз емкостью высыпается через пылевод в канал клапана, который при последующем повороте клапана соединяет камеру сгорания с камерой для сжатого воздуха.

3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что трубочки, соединяющие водяной насос с паровой камерой, установлены в выхлопной трубе с помощью радиаторных пластин, увеличивающих поверхность теплообмена между водой, а затем паром и выхлопными газами, при этом направление движения воды, а затем и пара, в который она превращается, и выхлопных газов взаимно противоположны, каждая из трубочек, выходящих из выхлопной трубы, соединена со своей продольной частью паровой камеры, разделенной перегородками, упрочняющими паровую камеру и образующими ободы, в которых вращается клапан между паровой камерой и камерой сгорания.

4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что теплоинерционный воспламенитель выполнен в виде полого металлического диска, установленного в камере сгорания своей осевой плоскостью перпендикулярно осям вращения клапанов и дверцы, контактирующего с внутренним диском электронагревателя из материала с большим электрическим сопротивлением, к центральной части которого подведен электропровод в керамической изоляции, при этом наружный диск из тугоплавкого (жаропрочного) металла установлен кронштейнами в средней части камеры сгорания и через массу двигателя включен в электроцепь аккумулятора с выключателем, включающим и прерывающим эту цепь компьютером.

5. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что верхние форсунки, впрыскивающие топливо в камеру сгорания, направлены в верхнюю часть диска воспламенителя и установлены в непосредственной близости к нему, обеспечивающей возможность попадания микрокапель топлива на воспламенитель, нижние форсунки установлены с расчетом равномерного распыления топлива по всему объему камеры сгорания.

6. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что дверцы по боковым краям имеют ребра жесткости с пазом, в котором установлен подпружиненный вкладыш, перекрывающий зазор между поверхностью торцевой стенки статора и боковой поверхностью дверцы, что механизм, включающий дверцу с осью, рычагом и эксцентриком, обеспечивает зазор между цилиндрической поверхностью ротора и дверцей, равный 1-2 мм, перекрытый пластинчатой пружиной, и передает давление парогаза на дверцу через ось вращения дверцы на рычаг и эксцентрик, смазываемый машинным маслом в герметичной картерной коробке при нормальной температуре.

7. Способ работы роторного двигателя, включающий пуск двигателя, его охлаждение во время работы и способ получения механической энергии за счет энергии сжигаемого топлива, отличающийся тем, что пуск двигателя производится при любой температуре наружного воздуха в результате электронагрева теплоинерционного воспламенителя до температуры калийного зажигания топлива, впрыскиваемого из форсунок на воспламенитель, что в жидкое топливо добавляется угольная пыль в количестве, при котором еще надежно работают форсунки, что сжатым воздухом вдувается в камеру сгорания угольная пыль, поставляемая из бункера с помощью дозатора в канал клапана, через который сжатым воздухом вместе с угольной пылью заполняется камера сгорания перед впрыском в нее жидкого топлива, что охлаждение камеры сгорания производится ее внутренней поверхности, покрытой теплоизоляцией, вначале с момента открытия дверцы с помощью пара высоких параметров с температурой в 350-400^oC до поворота ротора на 30^o, а затем с помощью сжатого воздуха с температурой наружного воздуха при заполнении камеры сгорания с момента закрытия дверцы до момента подачи топлива через форсунки в камеру сгорания, пар высоких параметров получают в результате использования тепла выхлопных газов в выхлопной трубе, как в теплообменнике, с помощью трубочек, в которые нагнетается вода насосом с давлением более 100 кг/см², испаряясь в них за счет понижения температуры выхлопных газов с 400 - 500^oC, выходящих из камеры расширения, до 100^oC, выходящих из выхлопной трубы, пар высоких параметров, перегретый при охлаждении камеры сгорания до температуры в 500-600^oC, поступает из камеры сгорания в камеру расширения, увеличивая полезную работу по вращению ротора двигателя, его КПД и удельную мощность, что смазка силовых устройств, воспринимающих давление парогаза на дверцу, выведена из зоны высоких температур и давлений парогаза в герметичную картерную коробку, в которой это давление воспринимается рычагом и эксцентриком со смазкой машинным маслом при нормальной температуре и давлении воздуха, исключающим расход масла, что смазка поверхности статора, по которой скользит пластинчатая пружина ротора, перекрывающая зазор между статором и ротором, производится из бачка с машинным маслом, установленным на статоре, микропорциями масла при каждом обороте ротора в зоне допустимых температур для применения масла в качестве смазки; что истирание пластинчатой пружины ротора в процессе длительной работы двигателя до величины, при которой возникает зазор между пружиной и поверхностью статора в 0,1-0,2 мм, исключает затем трение между пружиной и статором, заменяя его воздушной смазкой, при которой не происходит дальнейшее истирание пружины и потерь энергии на трение, не допускается утечка парогаза, не имеющая практического значения для эффективности работы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6