RU2688050C1

RU2688050C1 - Rotary engine

Info

Publication number: RU2688050C1
Application number: RU2018123767A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Львович Астановский; Лев Залманович Астановский; Павел Васильевич Вертелецкий; Павел Владимирович Кустов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ФАСТ ИНЖИНИРИНГ М"
Priority date: 2018-06-29
Filing date: 2018-06-29
Publication date: 2019-05-17

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to devices for conversion of thermal energy of compressed working medium into mechanical energy. Essence of invention consists in the fact that engine comprises cylindrical housing with working medium inlet and outlet branch pipes, shaft installed in housing eccentrically relative to its longitudinal axis, group of pistons, cylindrical bushing, coaxially installed in housing with formation of annular space between them. Chambers are formed between pistons, the volume of which increases in direction from working medium inlet branch pipe to working medium discharge branch pipe. According to the invention, on the inner surface of the housing perpendicular to the generatrix of the cylindrical surface there are two channels arranged opposite to each other, wherein one channel is interconnected with the working medium inlet branch pipe, and the other channel is connected to the working medium discharge pipe. Beginning and end of each channel are made so that during rotation of pistons in annular space expansion of working medium volume, which entered into chamber of inlet and outlet of working body. On one shaft there can be installed one or several successive stages of working medium expansion.

EFFECT: technical result consists in higher engine efficiency.

9 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для преобразования тепловой энергии сжатого рабочего тела, в качестве которого используется водяной пар или газ, полученный при сжигании топлива, в механическую энергию, и может быть использовано в промышленности, в энергетике, на транспорте и в быту для привода машин и механизмов.The invention relates to a device for converting thermal energy of compressed working fluid, which is used as water vapor or gas obtained during fuel combustion, into mechanical energy, and can be used in industry, energy, transport and in everyday life to drive machines and mechanisms .

Наиболее широко для привода машин, в том числе транспортных средств, используются двигатели внутреннего сгорания, газовые и паровые турбины.The most widely used for driving machines, including vehicles, are internal combustion engines, gas and steam turbines.

Двигатели внутреннего сгорания и газовые турбины работают на жидком или газообразном топливе. При этом в поршневых и роторно-поршневых двигателях внутреннего сгорания процесс сгорания топлива и превращение тепловой энергии в механическую работу происходит во внутрицилиндровом объеме в пространстве над поршнем. В газотурбинных двигателях (ГТД) процесс сгорания топлива проходит под давлением в камере сгорания, куда под давлением подается топливо и воздух. Образующее при этом рабочее тело (продукты сгорания) поступает на лопатки колес турбины, совершая работу. В паровых турбинах рабочим телом является водяной пар, получаемый в паровых котлах, в которых тепловая энергия от сжигания топлива передается через теплообменные стенки труб циркулирующему по замкнутому контуру рабочему телу (воде).Internal combustion engines and gas turbines run on liquid or gaseous fuels. In this case, in piston and rotary-piston internal combustion engines, the process of combustion of fuel and the conversion of thermal energy into mechanical work takes place in the in-cylinder volume in the space above the piston. In gas turbine engines (GTE), the combustion process of the fuel takes place under pressure in the combustion chamber, where fuel and air are supplied under pressure. Forming with this working fluid (combustion products) enters the blades of the wheels of the turbine, doing the work. In steam turbines, the working medium is water vapor produced in steam boilers, in which thermal energy from fuel combustion is transmitted through the heat-exchanging walls of the pipes to the working fluid (water) circulating in a closed loop.

Как правило, мощность двигателей внутреннего сгорания не превышает 1000-2000 кВт. Двигатели внутреннего сгорания имеют большие габаритные размеры, металлоемки, имеют сложную конструкцию, не уравновешены, трудоемки при изготовлении и требуют высококвалифицированного обслуживания при эксплуатации. Кроме того двигатели внутреннего сгорания при эксплуатации сбрасывают в окружающую среду значительное количество вредных веществ (СО и NO_x), образующих в процессе сгорания топлива. В связи со значительными потерями тепловой энергии в окружающую среду с отходящими выхлопными газами и системой охлаждения, КПД двигателей внутреннего сгорания карбюраторного типа не превышает 25%, а дизельных двигателей - 40%.As a rule, the power of internal combustion engines does not exceed 1000-2000 kW. Internal combustion engines have large overall dimensions, they are metal-intensive, have a complex structure, are not balanced, are laborious in production and require highly skilled maintenance during operation. In addition, internal combustion engines during operation emit a significant amount of harmful substances (CO and NO _x ), which form during the combustion process of fuel. Due to the significant loss of heat energy to the environment with exhaust exhaust gases and the cooling system, the efficiency of carburetor-type internal combustion engines does not exceed 25%, and diesel engines - 40%.

Газовые и паровые турбины более компактны и уравновешены. Мощность их достигает десятки МВт. КПД паровых турбин составляет примерно 25%, а КПД газовых турбин доходит до 40% и даже выше. Паровые и газовые турбины имеют ограничения по возможности их применения для приводов малой мощности. Чем больше мощность ГТД, тем выше КПД. При неполной нагрузке имеет место значительное падение КПД.Gas and steam turbines are more compact and balanced. Their power reaches tens of MW. The efficiency of steam turbines is about 25%, and the efficiency of gas turbines reaches 40% and even higher. Steam and gas turbines have limitations on their applicability to low power drives. The greater the power of the CCD, the higher the efficiency. Under partial load, there is a significant drop in efficiency.

Наибольшее распространение получили ГТД открытого цикла, в которых атмосферный воздух с давлением и температурой окружающей среды проходит систему воздушных фильтров, поступает на вход компрессора, где сжимается в адиабатическом режиме до давления 0,6-1,6 МПа, при этом температура воздуха поднимается до 240-340°С.The most widely used open-cycle gas turbine engines, in which atmospheric air with pressure and ambient temperature passes the air filter system, enters the compressor inlet, where it is compressed in adiabatic mode to a pressure of 0.6-1.6 MPa, while the air temperature rises to 240 -340 ° C.

Высокая степень сжатия воздуха в компрессоре без промежуточного охлаждения приводит к большому потреблению энергии, что сокращает эффективную мощность, выдаваемую турбиной. Это обстоятельство в традиционно применяемых газотурбинных двигателях часто приводит к ограничению давления воздуха перед камерой сгорания. В то же время известно, что повышение давления рабочего тела перед турбиной повышает эффективность двигателя и уменьшает его массогабаритные характеристики.The high degree of air compression in the compressor without intermediate cooling leads to a large energy consumption, which reduces the effective power delivered by the turbine. This circumstance in traditionally used gas turbine engines often leads to the limitation of air pressure in front of the combustion chamber. At the same time, it is known that increasing the pressure of the working fluid in front of the turbine increases the efficiency of the engine and reduces its weight and size characteristics.

Сжатый воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, куда подается газообразное или жидкое топливо. За счет сжигания топлива температура рабочего тела (продуктов сгорания смешанных с избыточным воздухом, подаваемым в камеру сгорания) поднимается до 800-960°С и даже до 1400°С.Compressed air from the compressor enters the combustion chamber, where gaseous or liquid fuel is fed. Due to fuel combustion, the temperature of the working fluid (products of combustion mixed with excess air supplied to the combustion chamber) rises to 800-960 ° C and even up to 1400 ° C.

Характерной особенностью газотурбинных двигателей является большой избыток воздуха, подаваемый в камеру сгорания. Это связано с необходимостью понизить температуру продуктов сгорания топлива в камере сгорания перед подачей их на лопатки турбины. Обычно топливо сжигают в камере сгорания при коэффициенте избытка воздуха α=3÷6. Камера сгорания и детали газовой турбины работают при относительно высоких температурах 900-1400°С и давлениях 1,9-4,0 МПа. Высокая частота вращения вала турбины (20000-40000 об/мин) вызывает значительные напряжения в дисках и лопатках. Для изготовления камеры сгорания и детали газовой турбины применяются материалы с повышенной жаростойкостью и жаропрочностью.A characteristic feature of gas turbine engines is a large excess of air supplied to the combustion chamber. This is due to the need to lower the temperature of the combustion products of fuel in the combustion chamber before applying them to the turbine blades. Typically, the fuel is burned in the combustion chamber with an excess air coefficient α = 3 ÷ 6. The combustion chamber and gas turbine components operate at relatively high temperatures of 900-1400 ° C and pressures of 1.9-4.0 MPa. The high frequency of rotation of the turbine shaft (20000-40000 rpm) causes significant stresses in the disks and blades. For the manufacture of the combustion chamber and parts of the gas turbine used materials with high heat resistance and heat resistance.

Для увеличения мощности и уменьшения габаритных размеров двигателя увеличивают температуру газа перед турбиной. Это вызывает необходимость применять воздушное охлаждение лопаток, сопловых аппаратов и рабочих колес. Повышение температуры газа значительно увеличивает удельную мощность двигателя и понижает проходящий через него расход воздуха. При этом уменьшаются габаритные размеры двигателя, одновременно снижается ресурс работы и усложняется конструкция двигателя.To increase power and reduce the overall dimensions of the engine increase the temperature of the gas in front of the turbine. This necessitates the use of air-cooled blades, nozzle apparatuses and impellers. Increasing the temperature of the gas significantly increases the specific power of the engine and reduces the flow of air through it. This reduces the overall dimensions of the engine, at the same time reduces the service life and complicates the design of the engine.

Проходя через газовую турбину, газ расширяется до атмосферного давления и поступает на выхлоп. Температура сбрасываемого в атмосферу газа составляет 400-600°С.Passing through a gas turbine, the gas expands to atmospheric pressure and enters the exhaust. The temperature of the gas discharged into the atmosphere is 400-600 ° C.

КПД газотурбинного двигателя, работающего по открытой схеме, не превышает 25%.The efficiency of a gas turbine engine operating in an open circuit does not exceed 25%.

При работе газотурбинного двигателя на пониженной нагрузке растет удельный расход топлива. Уменьшение частоты вращения приводит к понижению давления воздуха, уменьшению термического КПД цикла и уменьшению экономичности двигателя. Устройство поворотных сопловых лопаток и другие способы повышения эффективности работы газотурбинного двигателя при пониженных нагрузках приводят к значительному усложнению конструкции двигателя и увеличению массогабаритных характеристик. Следует также отметить, что чем меньше мощность газотурбинного двигателя, тем ниже его эффективность. При мощности ниже 100-150 кВт применение ГТД становится не выгодно.When the gas turbine engine is operating at reduced load, the specific fuel consumption increases. Reducing the rotational speed leads to a decrease in air pressure, a decrease in the thermal efficiency of the cycle and a decrease in the efficiency of the engine. The device of rotary nozzle blades and other ways to increase the efficiency of the gas turbine engine at low loads lead to a significant complication of the engine design and increase in weight and size characteristics. It should also be noted that the lower the power of the gas turbine engine, the lower its efficiency. When the power is below 100-150 kW, the use of GTE becomes unprofitable.

Газовые и паровые турбины требуют высокой точности при изготовлении и высококвалифицированного обслуживания. Газовые турбины, при эксплуатации сбрасывают в окружающую среду с отходящими выхлопными газами значительное количество вредных веществ (СО и NO_x).Gas and steam turbines require high precision in manufacturing and highly qualified service. Gas turbines, during operation, emit a significant amount of harmful substances (CO and NO _x ) into the environment with exhaust gas.

К недостаткам газотурбинного двигателя также следует отнести компримирование воздуха в осевых и центробежных компрессорах при высоких степенях сжатия без промежуточного межступенчатого охлаждения, большие потери теплоты с отходящими газами, сбрасываемыми при высокой температуре. Применение традиционно используемых рекуперативных теплообменных аппаратов приводят к значительному увеличению массогабаритных характеристик турбин.The disadvantages of a gas turbine engine should also include compression of air in axial and centrifugal compressors with high compression ratios without intermediate interstage cooling, large heat losses with exhaust gases discharged at high temperature. The use of traditionally used recuperative heat exchangers leads to a significant increase in the weight and size characteristics of turbines.

Известен роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания RU 2597333 С1, работающий по принципу четырехтактного двигателя. 1 такт - впуск порции рабочей смеси, состоящей из паров топлива и воздуха, в камеру впуска, 2 такт - сжатие рабочей смеси компрессором и передача ее в камеру сгорания, 3 такт - рабочий ход с искровым зажиганием рабочей смеси в камере сгорания и воздействием давления и температуры продуктов сгорания на элементы двигателя, 4 такт - выпуск отработавших газов в атмосферу. Конструкция роторно-поршневого двигателя повышает эффективность работы двигателя предложенного типа, однако сохраняет принцип традиционно применяемых четырехтактных двигателей внутреннего сгорания со всеми их достоинствами и недостатками.Known rotary-piston internal combustion engine RU 2597333 C1, working on the principle of a four-stroke engine. 1 cycle - intake of a portion of the working mixture consisting of fuel and air vapor into the inlet chamber, 2 cycle - compression of the working mixture by the compressor and transferring it to the combustion chamber, 3 cycle - working stroke with spark ignition of the working mixture in the combustion chamber and the effect of pressure and the temperature of the combustion products on the elements of the engine, 4 cycle - the release of exhaust gases into the atmosphere. The design of the rotary-piston engine increases the efficiency of the engine of the proposed type, however, it retains the principle of the traditionally used four-stroke internal combustion engines with all their advantages and disadvantages.

Наиболее близкой схемой предлагаемого двигателя является схема газотурбинного двигателя открытого цикла, включающая в себя компрессор воздуха, камеру сгорания и расширитель рабочего тела (турбину).The closest scheme of the proposed engine is an open-cycle gas turbine engine scheme, which includes an air compressor, a combustion chamber and a working fluid expander (turbine).

В основу изобретения положена задача создания компактного двигателя преобразующего тепловую энергию сжатого рабочего тела газа или водяного пара в механическую энергию, при этом обеспечить снижение удельного расхода топлива на единицу мощности, повысить полноту сгорания топлива, сократить выбросы вредных веществ в окружающую среду с отходящими дымовыми газами, повысить надежность при эксплуатации.The invention is based on the task of creating a compact engine that converts thermal energy of a compressed working fluid of gas or water vapor into mechanical energy, while ensuring a reduction in specific fuel consumption per unit of power, increasing the completeness of fuel combustion, reducing emissions of harmful substances into the environment with exhaust flue gases, improve reliability during operation.

Задачей настоящего изобретения также является сократить потребление энергии при компримировании воздуха при использовании в качестве рабочего тела продуктов сгорания от сжигания газообразного или жидкого топлива.The present invention is also to reduce energy consumption when compressed air when used as a working fluid of the combustion products from the combustion of gaseous or liquid fuels.

Задачей настоящего изобретения также является обеспечить возможность повысить давление рабочего тела перед его расширением по сравнению с традиционно применяемыми газотурбинными двигателями.The present invention is also to provide the opportunity to increase the pressure of the working fluid before its expansion compared with traditionally used gas turbine engines.

Задачей настоящего изобретения также является обеспечить возможность создания двигателя малой мощности (3-50 кВт) при использовании в качестве рабочего тела водяного пара.The present invention is also to provide the ability to create an engine of low power (3-50 kW) when used as the working fluid of water vapor.

Для решения поставленных задач при использовании в качестве рабочего тела продуктов сгорания от сжигания газообразного или жидкого топлива схема предлагаемого двигателя включает компрессор воздуха, камеру сгорания и расширитель продуктов сгорания - двигатель.To solve the problems posed when using combustion products from combustion of gaseous or liquid fuels as working fluid, the scheme of the proposed engine includes an air compressor, a combustion chamber and a combustion expander — an engine.

При использовании в качестве рабочего тела водяного пара компрессор воздуха и камера сгорания исключаются.When using water vapor as the working fluid, the air compressor and combustion chamber are excluded.

При использовании в качестве рабочего тела продуктов сгорания предлагается сжимать воздух перед камерой сгорания до требуемого давления в компрессоре с промежуточным, по меньшей мере, с одним межступенчатым охлаждением. Такое техническое решение позволит сократить мощность, потребляемую компрессором, за счет более экономичного сжатия воздуха в режиме, приближенному наиболее близко к изотермическому. Чем больше ступеней с промежуточным охлаждением, тем выше эффективность сжатия воздуха, тем меньше потребление энергии на сжатие воздуха, тем выше КПД компрессора. В качестве теплообменных аппаратов для межступенчатого охлаждения воздуха можно применить теплообменники любого типа, но предпочтительно использовать компактные теплообменники радиально-спирального типа по патентам на изобретения RU №2075020 и №2348882.When using combustion products as working fluid, it is proposed to compress the air in front of the combustion chamber to the required pressure in the compressor with intermediate at least one interstage cooling. This technical solution will allow to reduce the power consumed by the compressor, due to more economical compression of air in the mode that is closest to the isothermal one. The more stages with intermediate cooling, the higher the air compression efficiency, the lower the energy consumption for air compression, and the higher the compressor efficiency. Heat exchangers of any type can be used as heat exchangers for interstage air cooling, but it is preferable to use compact heat exchangers of radial-spiral type according to patent applications RU No. 2075020 and No. 2348882.

В качестве камеры сгорания предлагается использовать конструкцию беспламенной горелки по патенту на изобретение RU №2335699 в сочетании со способом эффективного сжигания топлива по патенту на изобретение RU №2347977. Такое техническое решение обеспечивает поддержание заданной адиабатической температуры горения топлива за счет дозирования в воздух части отходящего дымового газа, т.е. снижения в нем содержания кислорода. Чем меньше концентрация кислорода в окислителе (воздухе) подаваемом в камеру сгорания, тем ниже адиабатическая температура горения топлива.As a combustion chamber, it is proposed to use the design of a flameless burner according to patent for invention RU No. 23535699 in combination with a method of efficiently burning fuel according to patent for invention RU No. 2347977. This technical solution ensures the maintenance of a given adiabatic temperature of combustion of the fuel due to the dosing of part of the exhaust flue gas into the air, i.e. reducing its oxygen content. The lower the oxygen concentration in the oxidizer (air) fed to the combustion chamber, the lower the adiabatic temperature of combustion of the fuel.

При адиабатической температуре горения не более 1100-1200°С в продуктах сгорания практически будут отсутствовать вредные вещества СО и NO_x. Использование в качестве камеры сгорания конструкции беспламенной горелки обеспечит практически полное сжигание топлива при стехиометрическом содержании кислорода в окислителе даже при пониженной его концентрации в окислителе, а также обеспечит заданную температуру рабочего тела равномерно по всему объему газа, исключит очаги его перегрева и повысит надежность и ресурс эксплуатации двигателя. Такое техническое решение исключает необходимость подавать в камеру сгорания избыточный воздух, уменьшит количество воздуха, сжимаемого компрессором, сократит потребление энергии на его компримирование, обеспечит снижение удельного расхода топлива на единицу мощности, повысит полноту сгорания топлива, сократит выбросы вредных веществ в окружающую среду. Сокращение потребления энергии на компримирование воздуха создает условия для повышения давления рабочего тела до требуемой величины перед камерой сгорания и соответственно перед его расширением в газовой турбине или расширителе (двигателе) другого типа. (Д.Л. Астановский, Л.З. Астановский, П.В. Кустов. «Газотурбинные технологии»: Оборудование и технологии ФАСТ ИНЖИНИРИНГ^® для создания перспективного газотурбинного двигателя, октябрь-ноябрь 2016, с. 24-28).When the adiabatic combustion temperature is not more than 1100-1200 ° C, the combustion products will be virtually free from harmful substances CO and NO _x . The use of a flameless burner design as a combustion chamber will ensure almost complete combustion of the fuel at the stoichiometric oxygen content in the oxidizer even at a low concentration in the oxidizer, and will also ensure the set working temperature evenly throughout the gas volume, eliminate its hot spots and increase reliability and service life engine This technical solution eliminates the need to supply excess air to the combustion chamber, reduces the amount of air compressed by the compressor, reduces energy consumption for its compression, reduces the specific fuel consumption per unit of power, increases the level of combustion of fuel, reduces emissions of harmful substances into the environment. Reducing the energy consumption for compressing air creates conditions for increasing the pressure of the working fluid to the required value in front of the combustion chamber and, accordingly, before its expansion in a gas turbine or expander (engine) of another type. (DL Astanovsky, LZ Astanovsky, PV Kustov. "Gas turbine technologies": Equipment and technologies FAST ENGINEERING ^® to create a promising gas turbine engine, October-November 2016, p. 24-28).

Для решения поставленных задач согласно изобретению предлагается конструкция двигателя (расширителя рабочего тела), содержащая цилиндрический корпус с патрубками впуска и выпуска рабочего тела, цилиндрическую втулку, соосно установленную в корпусе с образованием между ними кольцеобразного пространства, вал, установленный внутри цилиндрической втулки эксцентрично относительно продольной оси корпуса, с закрепленными на его противоположных концах двумя дисками, плотно прилегающими к торцам корпуса и втулки, закрывающими с торцов кольцеобразное пространство, каждый диск на внутренней поверхности имеет радиальные пазы для свободного перемещения сухарей вдоль радиальных пазов, при этом сухари имеют цилиндрические выступы для соединения их с отверстиями вращающихся поршней, а плоскость внутренней поверхности сухарей совпадает с плоскостью внутренней поверхности дисков, цилиндрические выступы сухарей вставлены в отверстия поршней, причем количество пазов на каждом диске и количество сухарей равно количеству вращающихся вокруг оси корпуса в кольцеобразном пространстве на расстоянии друг от друга поршней, образующих между ними камеры, объем которых увеличивается по направлению от патрубка впуска рабочего тела к патрубку выпуска рабочего тела. При этом на внутренней поверхности корпуса перпендикулярно образующей цилиндрической поверхности выполнены два канала, расположенные оппозитно друг относительно друга, причем один сообщен с патрубком впуска рабочего тела, а другой - с патрубком выпуска рабочего тела. Начало канала, соединенного с патрубком впуска рабочего тела, выполнено совпадающим с линией касания первого по ходу поршня с внутренней поверхностью цилиндрического корпуса при нахождении двух смежных поршней на минимальном расстоянии друг от друга, а длина канала равна или меньше длины касания первого по ходу поршня по окружности с внутренней поверхностью цилиндрического корпуса. Начало канала, соединенного с патрубком выпуска рабочего тела, выполнено совпадающим с линией касания первого по ходу поршня с внутренней поверхностью цилиндрического корпуса при нахождении двух смежных поршней на максимальном расстоянии друг от друга, а конец канала совпадает с линией касания последнего по ходу поршня с внутренней поверхностью цилиндрического корпуса при нахождении двух смежных поршней на минимальном расстоянии друг от друга. Каждый вращающийся поршень может быть выполнен в виде усеченного сектора, ограниченного внутренней поверхностью цилиндрического корпуса и наружной поверхностью цилиндрической втулки, высота поршня по существу равна ширине кольцеобразного пространства, а его длина равна длине цилиндрической втулки, кроме того, каждый поршень имеет прорези, расположенные вдоль образующей на внутренней цилиндрической поверхности поршня для установки свободно перемещаемых в радиальном направлении в прорезях уплотнительных пластин с поджимными пружинами. При этом плоскости противоположных торцов уплотнительных пластин совпадают с плоскостями внутренних поверхностей дисков. Цилиндрический корпус двигателя может быть дополнительно снабжен двумя торцевыми дисками, закрепленными на корпусе эксцентрично относительно его оси, при этом с дисками могут быть соединены торцевые крышки с подшипниковыми узлами и уплотнением, в которых размещен вал.To solve the tasks according to the invention, an engine (expander of the working body) is proposed, comprising a cylindrical body with inlet and outlet nozzles of the working body, a cylindrical bushing coaxially mounted in the body to form an annular space between them, a shaft mounted inside the cylindrical bushing eccentric about the longitudinal axis case, with two disks fixed on its opposite ends, tightly adjacent to the ends of the case and sleeve, closing the ring from the ends Tseobraznoe space, each disk on the inner surface has radial grooves for free movement of crackers along the radial grooves, while the crackers have cylindrical protrusions to connect them with the holes of rotating pistons, and the plane of the inner surface of the crackers coincides with the plane of the inner surface of the disks, cylindrical protrusions of crackers are inserted into the holes of the pistons, the number of grooves on each disk and the number of crackers equal to the number of rotating around the axis of the housing in the annular space spaced apart pistons, forming between them a chamber, the volume of which increases in the direction from the inlet pipe of the working fluid to the outlet pipe of the working fluid. At the same time on the inner surface of the housing perpendicular to the generatrix of the cylindrical surface there are two channels located opposite to each other, one communicating with the working fluid inlet pipe and the other with the working body releasing pipe. The beginning of the channel connected to the inlet of the working fluid is made coinciding with the line of contact of the first along the piston with the inner surface of the cylindrical body when two adjacent pistons are at a minimum distance from each other, and the length of the channel is equal to or less than the length of the touch of the first along the piston circumferentially with the inner surface of the cylindrical body. The beginning of the channel connected to the outlet pipe of the working fluid is made coinciding with the line of contact of the first along the piston with the inner surface of the cylindrical body when two adjacent pistons are located at a maximum distance from each other, and the end of the channel coincides with the line of contact of the last along the piston with the inner surface cylindrical housing with two adjacent pistons at a minimum distance from each other. Each rotating piston can be made in the form of a truncated sector bounded by the inner surface of the cylindrical body and the outer surface of the cylindrical sleeve, the height of the piston is essentially equal to the width of the annular space, and its length is equal to the length of the cylindrical sleeve, in addition, each piston has slots along the generatrix on the inner cylindrical surface of the piston to install freely moving in the radial direction in the slots of the sealing plates with gland springs ami When this plane of the opposite ends of the sealing plates coincide with the planes of the inner surfaces of the disks. The cylindrical motor housing can be additionally equipped with two end disks fixed eccentrically on the housing relative to its axis, while the end covers with the bearing assemblies and the seal in which the shaft is located can be connected to the disks.

На одном валу может быть установлена одна или несколько друг за другом ступеней расширения рабочего тела. При многоступенчатом расширении рабочего тела на трубопроводе, соединяющим патрубок выпуска рабочего тела из предыдущей ступени с патрубком впуска рабочего тела в последующую ступень может быть дополнительно установлен теплообменный аппарат для подогрева рабочего тела внешним теплоносителем или камера сгорания топлива для подогрева рабочего тела перед подачей его на последующую ступень.On one shaft can be installed one or more one after another steps of expansion of the working fluid. When multi-stage expansion of the working fluid in the pipeline connecting the outlet pipe of the working fluid from the previous stage with the inlet pipe of the working fluid in the next step can be additionally installed heat exchanger for heating the working fluid external heat carrier or the combustion chamber to heat the working fluid before submitting it to the next step .

Установка внутри цилиндрического корпуса концентрично цилиндрической втулки образует цилиндрическое кольцеобразное пространство -рабочую зону для расширения газа или пара - с постоянным сечением для перемещения вращающихся вокруг оси корпуса поршней. При этом рабочее тело, расширяясь между двумя смежными вращающимися поршнями через посредство сухарей, перемещающихся в радиальных пазах дисков, закрепленных на валу, приводят во вращение вал.The installation inside the cylindrical body of a concentric cylindrical sleeve forms a cylindrical annular space - a working area for the expansion of gas or steam - with a constant cross section for moving the pistons rotating around the axis of the housing. In this case, the working fluid, expanding between two adjacent rotating pistons through crackers moving in the radial grooves of the disks fixed on the shaft, causes the shaft to rotate.

В предлагаемой конструкции двигателя вращающиеся поршни, выполненные в виде усеченных секторов, при их вращении за счет центробежной силы вокруг оси корпуса, плотно прижимаются к внутренней цилиндрической поверхности корпуса, а пластины с поджимными пружинами, установленные в прорези вращающихся поршней вдоль образующей на внутренней цилиндрической поверхности поршня обеспечивают уплотнение между цилиндрической втулкой и поршнем, предотвращая переток рабочего тела из полсти с более высоким давлением в полость с более низким давлением.In the proposed engine design, rotating pistons, made in the form of truncated sectors, when they rotate due to centrifugal force around the axis of the housing, tightly pressed to the inner cylindrical surface of the housing, and plates with gland springs installed in the slot of the rotating pistons forming on the inner cylindrical surface of the piston provide a seal between the cylindrical sleeve and the piston, preventing the flow of the working fluid from the soil with a higher pressure into the cavity with a lower pressure it.

Закрепленные на валу вращающиеся диски, с перемещающимися вдоль пазов сухарями, плотно прилегающими к торцам цилиндрического корпуса двигателя, цилиндрической втулки, поршней и уплотнительных пластин, закрывающими с торцов цилиндрическое кольцевое пространство, обеспечивают надежное уплотнение, предотвращая переток рабочего тела из полсти с более высоким давлением в полость с более низким давлением.Rotating discs fixed on the shaft, with crackers moving along the grooves, closely fitting the ends of the cylindrical motor housing, the cylindrical bushing, pistons and sealing plates, which close the ends of the cylindrical annular space, provide reliable sealing preventing the working fluid from the ground with higher pressure cavity with lower pressure.

Возможность изменения длины канала, соединенного с патрубком впуска рабочего тела, позволяет выбирать оптимальную степень расширения рабочего тела в каждой ступени двигателя.The ability to change the length of the channel connected to the inlet pipe of the working fluid, allows you to choose the optimal degree of expansion of the working fluid in each stage of the engine.

При многоступенчатом расширении рабочего тела имеется возможность его подогрева перед подачей на последующую ступень. Применение в предлагаемой конструкции двигателя двух и больше ступеней расширения обеспечивает возможность установки на трубопроводе, соединяющим патрубок выпуска рабочего тела из предыдущей ступени с патрубком впуска рабочего тела в последующую ступень, теплообменного аппарата для дополнительного подогрева рабочего тела внешним теплоносителем.With a multi-stage expansion of the working fluid there is the possibility of its heating before serving to the next stage. Application in the proposed design of the engine two or more expansion stages provides the ability to install on the pipeline connecting the outlet pipe of the working fluid from the previous stage with the inlet pipe of the working fluid in the next step, a heat exchanger for additional heating of the working fluid external heat transfer medium.

На трубопроводе, соединяющем патрубок выпуска рабочего тела из предыдущей ступени с патрубком впуска рабочего тела в последующую ступень, может быть дополнительно установлена камера сгорания для подогрева рабочего тела путем сжигания дополнительного топлива.On the pipeline connecting the outlet pipe of the working fluid from the previous stage with the inlet pipe of the working fluid in the next step, a combustion chamber can be additionally installed to heat the working fluid by burning additional fuel.

Соприкасающиеся трущиеся поверхности цилиндрического корпуса, цилиндрической втулки, вращающихся поршней, дисков, сухарей, уплотнительных пластин целесообразно изготавливать из твердых износостойких и антифрикционных материалов.The contacting rubbing surfaces of the cylindrical body, the cylindrical sleeve, rotating pistons, disks, crackers, sealing plates should be made of hard wear-resistant and antifriction materials.

Конструктивное выполнение двигателя решает поставленные выше задачи настоящего изобретения.Constructive execution of the engine solves the above objectives of the present invention.

Для межступенчатого охлаждения воздуха, при его компримировании, рекуперации теплоты отходящих дымовых газов, подогрева рабочего тела внешним теплоносителем предпочтительно использовать высокоэффективные, компактные теплообменные аппараты радиально-спирального типа.For interstage air cooling, when it is compressed, to recover the heat of exhaust flue gases, to preheat the working fluid with an external heat transfer medium, it is preferable to use high-performance, compact heat exchangers of radial-spiral type.

Возможность дополнительного межступенчатого подогрева рабочего тела внешним теплоносителем или путем дополнительной установки между ступенями камер сгорания позволяет повысить КПД двигателя за счет более глубокого полезного использования тепла, сократить потери тепла в окружающую среду. При этом снижение температуры рабочего тела позволит повысить надежность эксплуатации и, тем самым, увеличить ресурс двигателя.The possibility of additional interstage heating of the working fluid by an external coolant or by additional installation between the steps of the combustion chambers allows increasing the efficiency of the engine due to deeper heat utilization and reducing heat loss to the environment. At the same time reducing the temperature of the working fluid will increase the reliability of operation and, thereby, increase engine life.

Применение для предлагаемой конструкции двигателя в качестве рабочего тела водяного пара позволит создавать взрывобезопасные двигатели, в том числе малой мощности, для приводов насосов, компрессоров и других машин для их использования во взрывоопасных и пожароопасных производствах.Application for the proposed design of the engine as the working fluid of water vapor will allow you to create explosion-proof engines, including low power, for pump drives, compressors and other machines for their use in explosive and fire-hazardous industries.

В отличие от двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей, предлагаемый двигатель согласно изобретению имеет возможность плавного регулирования оборотов путем изменения количества подаваемого рабочего тела без ухудшения экономических характеристик двигателя.Unlike internal combustion engines and gas turbine engines, the proposed engine according to the invention has the ability to smoothly control the revolutions by changing the amount of working fluid supplied without compromising the economic characteristics of the engine.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретным примером его выполнения и прилагаемыми чертежами фиг. 1, 2 и 3, на которых схематично изображены:The invention is further illustrated by a specific example of its implementation and the accompanying drawings of FIG. 1, 2 and 3, which schematically depict:

Фиг. 1 - поперечное сечение двигателя А-А,FIG. 1 is a cross section of the engine aa,

Фиг. 2 - продольное сечение двигателя Б-Б,FIG. 2 is a longitudinal section of the engine bb,

Фиг. 3 - вариант двигателя с многоступенчатым расширением рабочего тела.FIG. 3 - engine variant with multistage expansion of the working fluid.

Двигатель содержит: цилиндрический корпус 1 с патрубками впуска 2 и выпуска 3 рабочего тела, вал 4, установленный в корпусе эксцентрично относительно его продольной оси, группу поршней 5-10, цилиндрическую втулку 11, соосно установленную в корпусе с образованием между ними кольцеобразного пространства 12, сухари 13. При этом вал 4 размещен внутри цилиндрической втулки, а на его противоположных концах закреплены два диска 14 и 15, плотно прилегающих к торцам корпуса 1 и втулки 11, закрывающих с торцов кольцеобразное пространство 12 и связанных с поршнями 5-10, размещенными в кольцеобразном пространстве с возможностью вращения вокруг оси корпуса и на расстоянии друг от друга с образованием между ними камер 16-21, объем которых увеличивается по направлению от патрубка 2 впуска рабочего тела к патрубку 3 выпуска рабочего тела. Каждый диск на внутренней поверхности имеет радиальные пазы 22 для свободного перемещения сухарей 13 вдоль радиальных пазов, при этом сухари имеют цилиндрические выступы 23 для соединения их с цилиндрическими отверстиями 24 вращающихся поршней, а плоскость внутренней поверхности сухарей 25 совпадает с плоскостью 26 внутренней поверхности дисков 14. Цилиндрические выступы сухарей 23 вставлены в отверстия 24 поршней 5-10, причем количество пазов 22 на каждом диске и количество сухарей 13 соответствует количеству вращающихся поршней 5-10. Согласно изобретению на внутренней поверхности корпуса перпендикулярно образующей цилиндрической поверхности выполнены два канала 27 и 28, расположенные оппозитно друг относительно друга, причем один канал 27 сообщен с патрубком 2 впуска рабочего тела, а другой канал 28 - с патрубком 3 выпуска рабочего тела. Начало 29 и конец 30 канала 27, соединенного с патрубком впуска рабочего тела 2, выполнено совпадающим с линиями касания первого по ходу поршня 5 с внутренней поверхностью цилиндрического корпуса при нахождении двух смежных поршней 5 и 10 на минимальном расстоянии друг от друга. Начало канала 28, соединенного с патрубком выпуска рабочего тела 3, выполнено совпадающим с линией касания 31 последнего по ходу поршня 8 с внутренней поверхностью цилиндрического корпуса 1 при нахождении двух смежных поршней 8 и 7 на максимальном расстоянии друг от друга, а конец канала 28 совпадает с линией касания 32 последнего по ходу поршня 10 с внутренней поверхностью цилиндрического корпуса 1 при нахождении двух смежных поршней 10 и 5 на минимальном расстоянии друг от друга. Каждый вращающийся поршень в сечении, перпендикулярном оси цилиндрического корпуса, может быть выполнен в виде усеченного сектора, ограниченного внутренней поверхностью цилиндрического корпуса 1 и наружной поверхностью цилиндрической втулки 11, высота поршня по существу равна ширине кольцеобразного пространства, а его длина равна длине цилиндрической втулки. Кроме того, каждый поршень может иметь прорези 33, расположенные вдоль образующей на внутренней цилиндрической поверхности поршня для установки в них свободно перемещаемых в радиальном направлении уплотнительных пластин 34 с поджимными пружинами 35. При этом плоскости противоположных торцов уплотнительных пластин 34 совпадают с плоскостями внутренних поверхностей 26 дисков 14 и 15.The engine contains: a cylindrical body 1 with inlet pipes 2 and a working body outlet 3, a shaft 4 mounted eccentrically about its longitudinal axis in the body, a group of pistons 5-10, a cylindrical sleeve 11 coaxially mounted in the body to form an annular space 12 between them, crackers 13. In this case, the shaft 4 is placed inside a cylindrical sleeve, and at its opposite ends there are two disks 14 and 15 fixed tightly adjacent to the ends of the housing 1 and the sleeve 11, covering the ends of the annular space 12 and connected to the piston and 5-10 arranged in the annular space to be rotatable about the housing axis and at a distance from each other to form therebetween chambers 16-21, the volume of which increases in the direction from nozzle 2 to the working fluid inlet conduit 3, the working fluid release. Each disk on the inner surface has radial grooves 22 for free movement of the crackers 13 along the radial grooves, while the crackers have cylindrical protrusions 23 for connecting them to the cylindrical holes 24 of the rotating pistons, and the plane of the inner surface of the crackers 25 coincides with the plane 26 of the inner surface of the disks 14. Cylindrical projections of the crackers 23 are inserted into the holes 24 of the pistons 5-10, with the number of grooves 22 on each disk and the number of crackers 13 corresponding to the number of rotating pistons 5-10. According to the invention, two channels 27 and 28 are located perpendicular to the forming surface of the cylindrical surface opposed to each other, with one channel 27 communicating with the nozzle 2 of the working fluid inlet and the other channel 28 with the nozzle 3 releasing the working fluid. The beginning 29 and the end 30 of the channel 27 connected to the inlet pipe of the working fluid 2 is made coinciding with the lines of contact of the first along the piston 5 with the inner surface of the cylindrical body when two adjacent pistons 5 and 10 are at the minimum distance from each other. The beginning of the channel 28 connected to the outlet pipe of the working fluid 3 is made coinciding with the last touch line 31 along the piston 8 with the inner surface of the cylindrical body 1 when there are two adjacent pistons 8 and 7 at the maximum distance from each other, and the end of the channel 28 coincides with line tangency 32 last along the piston 10 with the inner surface of the cylindrical body 1 when the two adjacent pistons 10 and 5 at a minimum distance from each other. Each rotating piston in cross section perpendicular to the axis of the cylindrical body can be made in the form of a truncated sector limited by the inner surface of the cylindrical body 1 and the outer surface of the cylindrical sleeve 11, the height of the piston is essentially equal to the width of the annular space, and its length is equal to the length of the cylindrical sleeve. In addition, each piston may have slots 33 located along the piston 34 forming along them on the inner cylindrical surface of the piston to install in them radially freely moving radially directional springs 35. In this plane the opposite ends of the sealing plates 34 coincide with the planes of the inner surfaces 26 of the discs 14 and 15.

Корпус двигателя может быть дополнительно снабжен двумя торцевыми фланцами 36, закрепленными на нем эксцентрично относительно его оси, при этом с фланцами могут быть соединены торцевые крышки 37 с подшипниковыми узлами 38 и уплотнением 39, в которых размещен вал 4.The motor housing can be additionally provided with two end flanges 36 fixed eccentrically on it relative to its axis, while the end caps 37 can be connected with the flanges to the bearing assemblies 38 and the seal 39 in which the shaft 4 is placed.

На одном валу может быть установлена одна или несколько друг за другом ступеней расширения рабочего тела. Каждая ступень имеет патрубок входа и патрубок выхода рабочего тела. При этом рабочее тело, газ после камеры сгорания или водяной пар, поступает в патрубок 40 входа в первую ступень и выходит из патрубка 41. По трубопроводу 42 рабочее тело поступает в патрубок 43 входа во вторую ступень и выходит из патрубка 44 выхода рабочего тела из второй ступени. Далее рабочее тело по трубопроводу 45 поступает в патрубок 46 входа в третью ступень и расширенное рабочее тело выходит из третьей ступени через патрубок 47. При необходимости температура рабочего тела перед входом в последующую ступень может быть повышена путем его дополнительного нагрева в нагревателе, установленном на трубопроводе, соединяющим патрубок выхода рабочего тела из предыдущей ступени с патрубком входа рабочего тела в последующую ступень.On one shaft can be installed one or more one after another steps of expansion of the working fluid. Each stage has an inlet nozzle and a working fluid outlet nozzle. In this case, the working fluid, the gas after the combustion chamber or water vapor, enters the nozzle 40 of the entrance to the first stage and exits the nozzle 41. Through a pipeline 42, the working fluid enters the nozzle 43 of the entrance to the second stage and leaves the nozzle 44 of the working fluid exit steps Next, the working fluid through the pipeline 45 enters the inlet 46 of the third stage and the expanded working fluid exits the third stage through the nozzle 47. If necessary, the temperature of the working fluid before entering the next stage can be increased by additional heating in a heater installed on the pipeline, connecting the outlet pipe of the working fluid from the previous stage with the outlet pipe of the working fluid in the next stage.

Claims

1. The engine containing a cylindrical body with nozzles input of compressed and heated working fluid, which uses gas or steam, and the output of the expanded partially cooled working fluid, a cylindrical sleeve coaxially installed in the housing with the formation between the inner wall of the housing and the outer wall of the cylindrical sleeve annular space, the shaft mounted in the housing is eccentric relative to the longitudinal axis of the housing, mounted on the shaft two rotating discs, tightly adjacent to the opposite The ends of the housing and the cylindrical sleeve, which cover the annular space from the ends, contain pistons inside the annular space with the possibility of their rotation around the axis of the housing and at a distance from each other with the formation of chambers between them, the volume of which increases from the working body input nozzle On the inner surface of each disk there are radial grooves in which the crackers move freely, while the cylindrical protrusions of the crackers are inserted into the holes of the rotating pistons, and The number of radial grooves corresponds to the number of rotating pistons, while the inner surface of the crackers coincides with the inner surface of the discs, each rotating piston in cross section has the shape of a truncated central angle bounded by the inner surface of the housing and the outer surface of the cylindrical sleeve, and the length of the rotating piston is equal to the length of the cylindrical sleeve, characterized in that on the inner surface of the housing perpendicular to the forming cylindrical surface there are two channels located opposite to each other, one communicating with the input pipe of the working fluid, and the other with the output pipe of the working fluid, and the beginning and end of the channel connected to the working fluid inlet pipe coincide with the lines of contact of the first along the piston with the inner surface of the cylindrical body when two adjacent pistons are located at a minimum distance from each other, the beginning of the channel connected to the outlet pipe of the working fluid is made coinciding with the line of contact pos along the piston with the inner surface of the cylindrical body when the two adjacent pistons are at the maximum distance from each other, and the channel end coincides with the line of contact of the latter along the piston with the inner surface of the cylindrical body when the two adjacent pistons are at the minimum distance from each other, As a working fluid, it can be used after the combustion chamber or water vapor.

2. The engine under item 1, characterized in that the motor housing can be further provided with two end flanges fixed eccentrically on it relative to its axis, while the end covers can be connected with the flanges to the bearing assemblies and the seal in which the shaft is located.

3. The engine under item 1, characterized in that on one shaft can be installed one or more one after another steps of expansion of the working fluid, with each step has a nozzle inlet and outlet of the working fluid, and the working body expanding, passes sequentially all steps to exit the last step.

4. The engine under item 1 or 3, characterized in that on the pipeline connecting the outlet pipe of the working fluid from the previous stage with the inlet pipe of the working fluid in the next step, a heat exchanger can be additionally installed to heat the working fluid with an external heat carrier.

5. The engine under item 1 or 3, characterized in that the combustion chamber for heating the working fluid by burning additional fuel can be additionally installed on the pipeline connecting the outlet pipe of the working fluid from the previous stage to the outlet pipe of the working fluid in the next step.

6. The engine under item 1, characterized in that each rotating piston in cross section perpendicular to the axis of the cylindrical body may be made in the form of a truncated sector bounded by the inner surface of the cylindrical body and the outer surface of the cylindrical sleeve, and the height of the piston is essentially equal to the width of the ring-shaped space, and its length is equal to the length of the cylindrical sleeve.

7. The engine under item 1 or 6, characterized in that each piston at the ends has cylindrical holes for connecting them with cylindrical protrusions of crackers.

8. The engine under item 1 or 6, characterized in that each piston may have slots located along forming on the inner cylindrical surface of the piston to install in them freely moving in the radial direction of the sealing plates with gland springs, and the plane of the opposite ends of the sealing plates coincide with the planes of the inner surfaces of the disks.

9. The engine under item 1, characterized in that it further contains crackers installed with the possibility of free movement along the grooves radially made on the inner surface of each disk in an amount corresponding to the number of rotating pistons, while the crackers have cylindrical protrusions to connect them with rotating pistons, and the plane of the inner surface of the crackers coincides with the plane of the inner surface of the discs.