Роторный двигатель внешнего сгорания с жидкостным поршнем
Изобретение относится к классу устройств, преобразующих тепловую энергию, выделяющуюся при различных способох сжигания топлива, в механическую. Двигатель имет в своем составе ротор с закрепленной на нем рабочей камерой, проточная часть которой состоит из области подачи рабочей жидкости, области нагрева рабочей жидкости, снабженной отсеком интенсивного нагрева рабочей жидкости, имеет эжекторное устройство, формирующее реактивные струи рабочего тела, вызывающие вращение ротора, гидрозатвор, препятствующий перетеканию рабочей жидкости из области нагрева рабочей жидкости в область подачи рабочей жидкости, неподвижную лопастную систему для изменения величины и направления скорости реактивных струй, источник тепла для внешнего нагревания рабочей жидкости, находящейся в области нагрева рабочей жидкости. Изобретение позволяет создать роторный двигатель имеющий рабочую камеру с внешним нагреванием рабочей жидкости, которая позволяет получать в процессе работы непрерывно вытесняемые жидкостным поршнем реактивные струи рабочего тела, вызывающие равномерное вращение ротора двигателя. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к классу устройств, преобразующих выделяющуюся при различных способах сжигания топлива тепловую энергию в энергию механическую. Самым известным аналогом предлагаемого изобретения является Сегнерово колесо, то есть активная турбина, сопловой аппарат которой расположен на рабочем колесе и вращается вместе с рабочим колесом.
Известен также двухроторный гидрореактивный двигатель (патент RU 2379213 C1, МПК В63Н 11/02, В63Н 11/09, 20.10.2008), относящийся к двигателям внутреннего сгорания с жидкостным поршнем. Двигатель содержит внешний ротор для создания внешнего жидкостного кольца, а также внутренний ротор, создающий внутреннее жидкостное кольцо и имеющий полость всасывания и камеру сгорания. Оси вращения роторов расположены с эксцентриситетом, а направления вращения совпадают. При одновременном вращении роторов порция свежей горючей смеси попадает в полость всасывания, под воздействием внешнего жидкостного кольца сжимается жидкостным поршнем и вытесняется в камеру сгорания, где удерживается в сжатом состоянии при помощи внутреннего жидкостного кольца. Воспламенение сжатой смеси в камере сгорания приводит к выбросу реактивной струи рабочей жидкости, приводящей внутренний ротор во вращение. Таким образом, описанный выше двигатель имеет в своем составе Сегнерово колесо импульсного действия.
Предлагаемое техническое решение имеет такую рабочую камеру с внешним нагреванием рабочей жидкости, которая позволяет получать в рабочем процессе непрерывно вытесняемые жидкостным поршнем реактивные струи рабочего тела, вызывающие равномерное вращение ротора двигателя.
Рабочая камера предлагаемого двигателя (фиг.1) закреплена на роторе двигателя, то есть выполнена с возможностью вращения вместе с ротором. Проточная часть рабочей камеры состоит из области подачи 8 рабочей жидкости, области нагрева 10 рабочей жидкости, гидрозатвора 9, препятствующего перетеканию рабочей жидкости из области нагрева 10 рабочей жидкости в область подачи 8 рабочей жидкости. Подвод 6 рабочей жидкости в область подачи 8 может быть осуществлен, в частности, с помощью центрального отверстия вала 3 ротора.
В области нагрева 10 рабочей жидкости выделен отсек 22 интенсивного нагрева рабочей жидкости, снабженный эжекторным устройством 23, с помощью которого формируются реактивные струи рабочего тела, вызывающие вращение ротора.
Вал 3 ротора двигателя размещен в подшипниках 5 корпуса 1 двигателя. Осевые усилия на валу 3 ротора воспринимаются подпятником 4. Запуск двигателя, а затем и передача избытка мощности для потребителя в процессе работы двигателя осуществляются при помощи привода 2, закрепленного на валу 3 ротора.
Для запуска двигателя необходимо привести ротор двигателя во вращение от стартера при помощи привода 2. Рабочая жидкость поступает в рабочую камеру через центральное отверстие вала 3 ротора и заполняет проточную часть рабочей камеры целиком. Далее необходимо привести в действие устройство 16 внешнего нагрева рабочей жидкости, находящейся в области нагрева 10 и отсеке 22 интенсивного нагрева. Нагрев приведет к испарению части рабочей жидкости в отсеке 22, частичному отделению пара от жидкости под воздействием вращения ротора и поступлению пара с частицами жидкости, то есть рабочего тела, в эжекторное устройство 23, выполненное таким образом, чтобы истекающие из него реактивные струи рабочего тела, смешанные с нагретой рабочей жидкостью из области нагрева 10, способствовали вращению ротора двигателя. Интенсификация внешнего нагрева вызовет увеличение давления рабочего тела перед эжекторным устройством 23, следовательно, появится избыток мощности, который уже можно передавать потребителю, что и является техническим результатом преобразования тепловой энергии сгорания топлива в механическую энергию вращения ротора двигателя. Предельная величина давления рабочего тела перед эжекторным устройством 23 определяется параметрами гидрозатвора 9, который предохраняет область подачи 8 рабочей жидкости от проникновения рабочего тела из области нагрева 10 рабочей жидкости и отсека 22 интенсивного нагрева рабочей жидкости. Реактивные струи рабочего тела после выхода из проточной части вращающейся рабочей камеры попадают в неподвижную лопастную систему 18, которая изменяет величину и направление скорости каждой струи, чтобы не создавать препятствий вращению ротора. Дальнейшее движение рабочего тела происходит в неподвижном кожухе двигателя и связано с конденсацией пара, накоплением рабочей жидкости в соответствующей емкости 15, подачей рабочей жидкости по каналу 14 в теплообменник для охлаждения и последующего возвращения в рабочую камеру. Таким образом, поступающая в двигатель рабочая жидкость при перемещении в проточной части рабочей камеры выполняет функции жидкостного поршня, который, частично испаряясь при нагреве, превращается в рабочее тело.
Реактивные струи рабочего тела, истекающие из проточной части вращающейся рабочей камеры, обладают некоторым запасом кинетической энергии, который можно утилизировать при помощи рабочих органов 21 турбомашины.
На фиг.2 изображен размещенный в подшипниках 13 корпуса 1 двигателя вал 11 турбомашины, соосный валу 3 ротора двигателя. Осевые усилия на валу 11 турбомашины воспринимаются подпятником 17. Вал 11 не имеет с валом 3 жесткой механической связи и вращается в результате взаимодействия реактивных струй рабочего тела, истекающих из проточной части вращающейся рабочей камеры, с рабочими органами 21 турбомашины, закрепленными на валу 11. Утилизированную таким образом энергию потребитель получает при помощи привода 12.
Область подачи 8 рабочей жидкости может быть выполнена в виде жидкостного кольца со свободной поверхностью жидкости в окружающей газовой среде. В этом случае подвод 6 рабочей жидкости выполняется в виде каналов в корпусе 1 двигателя, излишки рабочей жидкости в жидкостном кольце собираются в емкости 7 и отводятся по каналу 19 (фиг.3).
Возможна такая конструкция рабочей камеры предлагаемого двигателя, в которой на выходе из проточной части рабочей камеры размещен сопловой аппарат 20, который совместно с эжекторным устройством 23 выполняет функции по созданию реактивных струй рабочего тела, вызывающих вращение ротора двигателя.
1. Двигатель, имеющий в своем составе ротор с закрепленной на нем рабочей камерой, проточная часть которой состоит из области подачи рабочей жидкости, области нагрева рабочей жидкости, снабженной отсеком интенсивного нагрева рабочей жидкости, имеющим эжекторное устройство, формирующее реактивные струи рабочего тела, вызывающие вращение ротора, гидрозатвора, препятствующего перетеканию рабочей жидкости из области нагрева рабочей жидкости в область подачи рабочей жидкости, неподвижную лопастную систему для изменения величины и направления скорости реактивных струй, источник тепла для внешнего нагревания рабочей жидкости, находящейся в области нагрева рабочей жидкости.
2. Двигатель по п.1, выполненный с возможностью утилизации кинетической энергии реактивных струй, истекающих из эжекторного устройства, при помощи рабочих органов турбомашины, не имеющей жесткой механической связи с ротором двигателя и вал которой расположен соосно с валом ротора двигателя.
3. Двигатель по п.1, область подачи рабочей жидкости которого представляет собой жидкостное кольцо со свободной поверхностью в окружающей газовой среде.
4. Двигатель по п.1, область подачи рабочей жидкости которого представляет собой жидкостное кольцо со свободной поверхностью в окружающей газовой среде, а кинетическая энергия реактивных струй, истекающих из эжекторного устройства, утилизируется при помощи рабочих органов турбомашины, не имеющей жесткой механической связи с ротором двигателя и вал которой расположен соосно с валом ротора двигателя.
5. Двигатель по п.1 с рабочей камерой, на выходе из проточной части которой размещен сопловой аппарат, совместно с эжекторным устройством выполняющий функции по созданию реактивных струй рабочего тела, вызывающих вращение ротора двигателя.
6. Двигатель по п.5, выполненный с возможностью утилизации кинетической энергии реактивных струй, истекающих из эжекторного устройства и соплового аппарата, при помощи рабочих органов турбомашины, не имеющей жесткой механической связи с ротором двигателя и вал которой расположен соосно с валом ротора двигателя.
7. Двигатель по п.5, область подачи рабочей жидкости которого представляет собой жидкостное кольцо со свободной поверхностью в окружающей газовой среде.
8. Двигатель по п.5, область подачи рабочей жидкости которого представляет собой жидкостное кольцо со свободной поверхностью в окружающей газовой среде, а кинетическая энергия реактивных струй, истекающих из эжекторного устройства и соплового аппарата, утилизируется при помощи рабочих органов турбомашины, не имеющей жесткой механической связи с ротором двигателя и вал которой расположен соосно с валом ротора двигателя.
