Вместо привычного нам цилиндра в этой паровой машине была сфера. Полая сфера, внутри которой все и происходило.
В сфере вращался и колебался диск, на каждой из сторон которого «перекидывались» туда-сюда четвертинки шара. Как видите, на словах это объяснить невозможно, поэтому гифка:
Красные стрелки - подача свежего пара, синие - выпуск отработанного.
Валы размещались под углом 135 градусов друг к другу. Пар через отверстие в четвертинке поступал под прижатую к диску плоскость, расширялся (производя полезную работу) и после поворота четвертинки выходил через то же отверстие. Четверти, таким образом, выполняли функции клапанов подачи/удаления пара. Болтающийся диск делал то, что в обычной паровой машине делает поршень. А кривошипно-шатунного механизма не было вовсе, потому не надо было преобразовывать возвратно-поступательное движение во вращательное.
Главный узел:
Пока по одну сторону четвертинки происходил рабочий ход (расширение пара), по другую ее сторону производился холостой ход (выпуск отработанного пара). По ту сторону диска происходило то же самое со сдвигом по фазе на 90 градусов. Из-за взаимного положения четвертинок диску придавалось вращение и колебания.
По сути, это была карданная передача с внутренним источником энергии. Зеленый диск-крестовина карданной передачи совершает такие же вращательно-колебательные движения:
Вращение передавалось на два вала, выходящие из мотора. Снимать энергию можно было с обоих, но на практике, судя по рисункам, для привода использовали один.
Как отмечал французский журнал «La Nature» 1884-го года, сферический двигатель допускал повышенные по сравнению с поршневыми собратьями скорости вращения и, следовательно, хорошо подходил в качестве привода электрогенератора.
Двигатель обладал низкими уровнями шума и вибрации и был очень компактен. Мотор с внутренним диаметром шара 10 см и частотой вращения 500 об/мин при давлении пара 3 атм выдавал 1 лошадиную силу, при 8,5 атм - 2,5 л.с. Самая же большая модель диаметром 63 см обладала мощностью в 624 «лошадки».
Но. Сферический мотор был сложен в изготовлении, требовал больших расходов пара. Он выпускался и некоторое время реально эксплуатировался в качестве привода генераторов в британском флоте и на железных дорогах Great Eastern Railway (устанавливался на паровой котел и служил для электроосвещения вагонов). Однако из-за указанных недостатков не прижился.
P.S. Необходимо заметить, что изобретатель сферического коня двигателя Бошам Тауэр (Beauchamp Tower) не пропал для инженерии.
Судя по всему, он был первым, кто наблюдал «масляный клин» в подшипниках скольжения и измерял давления в нем. Т.е. современное машиностроение пользуется исследованиями мистера Тауэра до сих пор.
Современный мир заставляет многих изобретателей снова возвращаться к идее применения паровой установки в средствах, предназначенных для перемещения. В машинах есть возможность использовать несколько вариантов силовых агрегатов, работающих на пару.
Поршневой мотор
Современные паровые двигатели можно распределить на несколько групп:
Конструктивно установка включает в себя:
- пусковое устройство;
- силовой блок двухцилиндровый;
- парогенератор в специальном контейнере, снабженный змеевиком.
Процесс происходит следующим образом. После включения зажигания начинает поступать питание от аккумуляторной электробатареи трех двигателей. От первого в работу приводится воздуходувка, прокачивающая воздушные массы по радиатору и передающая их по воздушным каналам в смесительное устройство с горелкой.
Одновременно с этим очередной электромотор активирует насос перекачки топлива, подающий конденсатные массы из бачка по змеевидному устройству подогревательного элемента в корпусную часть отделителя воды и подогреватель, находящийся в экономайзере, в паровой генератор.
До начала запуска пару нет возможности пройти к цилиндрам, так как путь ему перекрывают клапан дросселя или золотник, которые приводятся в управление кулисной механикой. Поворачивая ручки в сторону, необходимую для передвижения, и приоткрывая клапан, механик приводит в работу паровой механизм.
Отработанные пары по единому коллектору поступают на распределительный кран, в котором разделяются на пару неодинаковых долей. Меньшая по объему часть попадает в сопло смесительной горелки, перемешивается с воздушной массой, воспламеняется от свечи. Появившееся пламя начинает подогревать контейнер. После этого продукт сгорания переходит в водоотделитель, происходит конденсирование влаги, стекающей в специальный бак для воды. Оставшийся газ уходит наружу.
Паровая установка может напрямую соединяться с приводным устройством трансмиссии машины, и с началом ее работы машина приходит в движение. Но с целью повышения кпд специалисты рекомендуют использовать механику сцепления. Это удобно при буксировочных работах и разных проверочных действиях.
Аппарат отличается способностью работать практически без ограничений, возможны перегрузки, имеется большой диапазон регулировки мощностных показателей. Следует добавить, что во время любой остановки паровой двигатель перестает работать, чего нельзя сказать про мотор.
В конструкции нет необходимости устанавливать коробку переключения скоростей, страртерное устройство, фильтр для очистки воздуха, карбюратор, турбонаддув. Кроме этого, система зажигания в упрощенном варианте, свеча только одна.
В завершении можно добавить, что производство таких машин и их эксплуатация будут обходиться дешевле, чем автомобили с двигателем внутреннего сгорания, так как топливо будет недорогим, материалы, применяемые в производстве – самыми дешевыми.
Одним из немногих паровых роторных двигателей, которые были разработаны в России и который активно эксплуатировался в различных областях техники и транспорта был паровой роторный двигатель (коловратная машина) инженера-механика Н.Н. Тверского. Двигатель отличался долговечностью, эффективностью и высоким крутящим моментом. Но с появлением паровых турбин был забыт. Ниже представлены архивные материалы, поднятые автором этого сайта. Материалы весьма обширны, поэтому пока здесь представлена только часть их.фото, видео, много букв:
Схема работы парового роторного двигателя Н. Тверского:
Пробная прокрутка сжатым воздухом (3,5 атм) парового роторного двигателя.
Модель рассчитана на 10 кВт мощности при 1500 об/мин на давлении пара в 28-30 атм.
В конце 19-го века "коловратные машины Н.Тверского" были забыты потому, что поршневые паровые машины оказались проще и технологичнее в производстве (для производств того времени), а паровые турбины давали большую мощность.
Но замечание в отношении турбин справедливо лишь в их больших массо-габаритных размерах. Действительно - при мощности больше 1,5-2 тыс. кВТ паровые многоцилиндровые турбины выигрывают по всем параметрам у паровых роторных двигателей, даже при дороговизне турбин. И в в начале 20-го века, когда судовые силовые установки и силовые агрегаты электростанций начинали иметь мощность во многие десятки тысяч киловатт, то только турбины и могли обеспечить такие возможности.
НО - у турбин есть другой недостаток. При масштабировании их массо-габаритных параметров в сторону уменьшения, ТТХ паровых турбин резко ухудшаются. Значительно снижается удельная мощность, падает КПД, при том что дороговизна изготовления и высокие обороты главного вала (потребность в редукторе) - остаются. Именно поэтому - в области мощностей менее 1 тыс. кВт (1 мВт) эффективную по всем параметрам паровую турбину найти практически невозможно, даже за большие деньги...
Именно поэтому в этой диапазоне мощностей появился целый "букет" экзотических и мало известных конструкций. Но чаще всего- так же дорогостоящих и малоэффективных... Винтовые турбины, турбины Тесла, осевые турбины и проч.
Но- почему-то все забыли про паровые "коловратные машины". А между тем - эти машины многократно дешевле, чем любые лопаточные и винтовые механизмы (это я говорю со знанием дела- как человек изготовивший на свои деньги уже более десятка таких машин). При этом паровые "коловратные машины Н.Тверского" - имеют мощный крутящий момент с самых малых оборотов, обладают невысокой частотой вращения главного вала на полных оборотах от 800 до 1500 об/мин. Т.е. такие машины хоть для электрогенератора, хоть для парового авто (трактора, тягача) - не будут требовать редуктора, сцепления и проч., а будут своим валом на прямую соединяется с динамо-машиной, колесами авто и проч.
Итак- в виде парового роторного двигателя - системы "коловратной машины Н.Тверского" мы имеем универсальную паровую машину, которая прекрасно будет вырабатывать электричество питаясь от котла на твердом топливе в отдалённом лесхозе или таежном поселке, на полевом стане или вырабатывать электричество в котельной сельского поселения или "крутиться" на отходах технологического тепла (горячем воздухе) на кирпичном или цементном заводе, на литейном производстве и пр. и др. Все подобные источники тепла как раз и имеют мощность менее 1 мВт, поэтому и общепринятые турбины тут малопригодны. А других машин для утилизации тепла путем перевода в работу давления полученного пара- общая техническая практика пока не знает. Вот и не утилизируется это тепло никак - оно просто теряется глупо и безвозвратно.
Я уже создал "паровую коловратную машину" для привода электрогенератора в 10 кВт, если все будет как планирую- то скоро будет машина и в 25 и в 40 кВт. Как раз - то что надо, чтобы обеспечивать дешевым электричеством от котла на твердом топливе или на отходах технологического тепла сельскую усадьбу, небольшое фермерское хозяйство, полевой стан и пр. и др.
В принципе - роторные двигатели хорошо масштабируются в сторону увеличения, поэтому - насаживая на один вал множество роторных секций легко многократно увеличивать мощность таких машин, просто увеличивая количество стандартных роторных модулей т.е. вполне можно создавать паровые роторные машины мощностью 80-160-240-320 и более кВт...
ПАРОВОЙ РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ и ПАРОВОЙ АКСИАЛЬНО- ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
Паровой роторный двигатель (паровая машина роторного типа) является уникальной силовой машиной, развитие производства которой до настоящего времени не получило должного развития.
С одной стороны- разнообразные конструкции роторных двигателей существовали ещё в последней трети 19-го века и даже неплохо работали, в том числе и для привода динамо-машин с целью выработки электрической энергии и электроснабжения всяких объектов. Но качество и точность изготовления таких паровых двигателей (паровых машин) было весьма примитивным, поэтому они имели малый КПД и невысокую мощность. С тех пор малые паровые машины ушли в прошлое, но вместе с действительно малоэффективными и бесперспективными поршневыми паровыми машинами в прошлое ушли и имеющие хорошую перспективу паровые роторные двигатели.
Главная причина- на уровне технологий конца 19-го века сделать действительно качественный, мощный и долговечный роторный двигатель не представлялось возможным.
Поэтому из всего многообразия паровых двигателей и паровых машин до нашего времени благополучно и активно дожили лишь паровые турбины огромной мощности (от 20 мВт и выше), на которых сегодня осуществляется около 75% выработки электроэнергии в нашей стране. Еще паровые турбины большой мощности дают энергию от атомных реакторов в боевых подводных лодках-ракетоносцах и на больших арктических ледоколах. Но это все огромные машины. Паровые турбины резко теряют всю свою эффективность при уменьшении их размеров.
….
Именно поэтому силовых паровых машин и паровых двигателей мощности ниже 2000 — 1500 кВт (2 — 1,5 мВт), которые бы эффективно работали на паре, получаемом от сжигания дешевого твердого топлива и различных бесплатных горючих отходов, сейчас в мире нет.
Вот в этой –то пустой сегодня области техники (и абсолютно голой, но очень нуждающейся в товарном предложении коммерческой нише), в этой рыночной нише силовых машин небольшой мощности, могут и должны занять своё очень достойное место паровые роторные двигатели. И потребность в них только в нашей стране — на десятки и десятки тысяч… Особенно такие малые и средние по мощности силовые машины для автономное электрогенерации и независимого электроснабжения нуждаются малые и средние предприятия в отдаленных от больших городов и крупных электростанций местностях: — на малых лесопилках, отдаленных приисках, на полевых станах и лесных делянках, и пр. и др.
…..
..
Давайте рассмотрим показатели, из-за которых паровые роторные двигатели оказываются лучше, чем их ближайшие сородичи — паровые машины в образе поршневых паровых двигателей и паровых турбин.
…
— 1)
Роторные двигатели являются силовыми машинами объемного расширения – как поршневые двигатели. Т.е. они обладают небольшим потреблением пара на единицу мощности, потому что пар подается в их рабочие полости время от времени, и строго дозированными порциями, а не постоянным обильным потоком, как в паровых турбинах. Именно поэтому паровые роторные двигатели гораздо экономичнее паровых турбин на единицу выдаваемой мощности.
— 2)
Роторные паровые двигатели имеют плечо приложения действующих газовых сил (плечо крутящего момента) значительно (в разы) больше, чем поршневые паровые двигатели. Поэтому развиваемая ими мощность гораздо выше, чем у паровых поршневых машин.
— 3)
Паровые роторные двигатели имеют гораздо большее рабочий ход, чем поршневые паровые двигатели, т.е. имеют возможность переводить большую часть внутренней энергии пара в полезную работу.
— 4)
Паровые роторные двигатели могут эффективно работать на насыщенном (влажном) паре, без затруднений допускать конденсацию значительной части пара с переходом её в воду прямо в рабочих секциях парового роторного двигателя. Это так же повышает КПД работы паросиловой установки с использованием парового роторного двигателя.
— 5
) Паровые роторные двигатели работают на оборотах в 2-3 тыс. оборотов в минуту, что является оптимальной частотой вращения для выработки электричества, в отличие от слишком тихоходных поршневых двигателей (200-600 оборотов в минуту) традиционных паровых машин паровозного типа, или от слишком быстроходных турбин (10-20 тыс. оборотов в минуту).
При этом технологически паровые роторные двигатели относительно просты в изготовлении, что делает затраты на их изготовление относительно невысокими. В отличие от крайне дорогостоящих в производстве паровых турбин.
ИТАК, КРАТКИЙ ИТОГ ЭТОЙ СТАТЬИ — паровой роторный двигатель является весьма эффективной паровой силовой машиной для преобразования давления пара от тепла сгорающего твердого топлива и горючих отходов в механическую мощность и в электрическую энергию.
Автором настоящего сайта, уже получены более 5 патентов на изобретения по разным аспектам конструкций паровых роторных двигателей. А так же произведено некоторое количество небольших роторных двигателей мощностью от 3 до 7 кВт. Сейчас идет проектирование паровых роторных двигателей мощностью от 100 до 200 кВт.
Но у роторных двигателей есть «родовой недостаток» — сложная система уплотнений, которые для маленьких по размерам двигателей оказываются слишком сложными, миниатюрными и дорогими в изготовлении.
При этом автором сайта ведется разработка паровых аксиально поршневых двигателей с оппозитным — встречным движением поршней. Данная компоновка является наиболее энерго — производительной по мощности вариацией из всех возможных схем применения поршневой системы.
Данные двигатели в малых размерах получаются несколько дешевле и проще роторных моторов и уплотнения в них использхуються самые традиционные и самые простые.
Внизу размещено видео использования маленького аксиально-поршневого оппозитного двигателя с встречным движением поршней.
В настоящее время идет изготовление такого аксиально-поршневого оппозитного двигателя на 30 кВт. Ресурс двигателя ожидается в несколько сотен тысячах моточасов ибо обороты парового двигателя в 3-4 раза ниже оборотов двигателя внутреннего сгорания, в пара трения «поршень- цилиндр» — подвергнута ионно -плазменному азотированию в вакуумной среде и твердость поверхностей трения составляет 62-64 ед по HRC. Подробно о процессе упрочения поверхности методом азотирования смотри .
Вот анимация принципа работы похожего по компоновке такого аксиально- поршневого оппозитного двигателя с встречным движением поршней
Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в энергомашиностроении, тепловозостроении, судостроении, авиации, тракторо- и автомобилестроении. Двигатель содержит неподвижный полый корпус 1, ротор 3 с четырьмя радиальными пазами 4, четыре лопасти 5, элементы подачи пара 6, сопла Лаваля 7, элементы отвода пара 8, а также последовательно соединенные конденсатор пара 9, водяной бак 10, генератор пара высокого давления 11, ресивер 12 и распределитель пара 13, управляемый контроллером 14. Внутренняя поверхность 2 корпуса 1 выполнена цилиндрической. Ротор 3 выполнен в виде прямого кругового цилиндра. Лопасти 5 установлены в пазах 4 с возможностью перемещения в этих пазах и скольжения своими рабочими гранями по внутренней поверхности 2 корпуса 1. Элементы подачи пара 6 установлены в корпусе так, что подаваемый через них пар не создает турбинного эффекта. Сопла Лаваля 7 установлены в корпусе наклонно к радиусу ротора, так что ось каждого сопла Лаваля ориентирована в направлении соответствующей касательной к цилиндрической поверхности ротора. Входы конденсатора 9 соединены с выходами элементов 8 отвода пара. Выходы распределителя пара 13 соединены с входами элементов подачи пара 6 и входами сопел Лаваля 7. Изобретение направлено на увеличение мощности двигателя на высоких скоростях вращения ротора. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.
Рисунки к патенту РФ 2491425
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к роторно-лопастным двигателям, и может быть использовано в энергомашиностроении, тепловозостроении, судостроении, авиации и тракторо- и автомобилестроении.
Уровень техники
Известен роторно-лопастный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, внутренняя рабочая поверхность которого выполнена в виде прямого кругового цилиндра с двумя торцевыми крышками, ротор, эксцентрично установленный в корпусе и имеющий радиальные пазы, в которых установлены лопасти с возможностью перемещения в этих пазах и скольжения своими рабочими гранями по внутренней рабочей поверхности корпуса в процессе вращения ротора, а также системы топливоподачи и газообмена, при этом ротор и корпус выполнены сплошными из волокнистого углерод-углеродного композита или термостойкой керамики, лопасти - в виде пакета пластин из углеграфитовой композиции, а в теле ротора между пазами выполнены камеры сгорания в виде цилиндрических или сферических углублений (Патент RU № 2011866 C1, M. кл. F02B 53/00, опубликовано 1990.04.30).
Признаки, являющиеся общими для известного и заявленного решений, заключаются в наличии цилиндрического корпуса, ротора с радиальными пазами, установленного в корпусе с возможностью вращения, и лопастей, установленных в радиальных пазах ротора с возможностью перемещения в этих пазах и скольжения своими рабочими гранями по внутренней рабочей поверхности корпуса в процессе вращения ротора, а также в наличии расположенных в стенке корпуса элементов подачи рабочего тела и элементов газообмена.
Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в том, что внутренняя рабочая поверхность корпуса выполнена в виде прямого кругового цилиндра, а ротор установлен с эксцентриситетом относительно оси симметрии внутренней рабочей поверхности корпуса, что является причиной существенной неуравновешенности внутренних сил двигателя.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является паровой роторно-лопастный двигатель, который содержит неподвижный полый корпус, внутренняя рабочая поверхность которого выполнена цилиндрической, ротор с радиальными пазами, установленный в корпусе соосно с внутренней рабочей поверхностью корпуса, при этом в роторе выполнены пазы, которые расположены равномерно по окружности ротора, лопасти, установленные в радиальных пазах ротора с возможностью перемещения в этих пазах и скольжения своими рабочими гранями по внутренней рабочей поверхности корпуса в процессе вращения ротора, а также элементы подачи пара и элементы отвода пара, расположенные в стенке корпуса (Описание изобретения к патенту RU № 2361089 C1, M. кл. F01C 1/32, F02B 53/02, F02B 55/08, F02B 55/16, опубликовано 10.07.2009).
Признаки, являющиеся общими для известного и заявленного решений, заключаются в наличии корпуса, внутренняя рабочая поверхность которого выполнена цилиндрической, установленного в корпусе ротора, в котором выполнены радиальные пазы, расположенные равномерно по окружности ротора, лопастей, установленных в пазах с возможностью перемещения в этих пазах и скольжения своими рабочими гранями по внутренней рабочей поверхности корпуса в процессе вращения ротора, источника пара, а также расположенных в стенке корпуса элементов подачи пара, соединенные с источником пара, и расположенных в корпусе элементы отвода пара.
Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в том, что элементы подачи пара установлены радиально, вследствие чего подаваемый через них пар не создает турбинного эффекта.
Сущность изобретения
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в увеличении мощности двигателя на высоких скоростях вращения ротора.
Технический результат, опосредствующий решение указанной задачи, заключается в подаче дополнительного пара с высокой скоростью потока в направлении касательной к цилиндрической поверхности ротора.
Достигается технический результат тем, что роторно-лопастный двигатель содержит неподвижный полый корпус, внутренняя рабочая поверхность которого выполнена цилиндрической, ротор, который установлен в корпусе и в котором выполнены радиальные пазы, расположенные равномерно по окружности ротора, лопасти, установленные в указанных пазах с возможностью перемещения в этих пазах и скольжения своими рабочими гранями по внутренней рабочей поверхности корпуса в процессе вращения ротора, источник пара, элементы подачи пара, расположенные в стенке корпуса и соединенные с источником пара, элементы отвода пара, расположенные в корпусе, а также по крайней мере одно сопло Лаваля, которое соединено с источником пара и установлено в стенке корпуса наклонно к радиусу ротора с возможностью создания турбинного эффекта.
Достигается технический результат также тем, что источник пара выполнен в виде последовательно соединенных конденсатора, водяного бака, генератора пара высокого давления, ресивера и управляемого контроллером распределительного клапана, при этом к выходам распределительного клапана подсоединены элементы подачи пара и сопла Лаваля, а к входам конденсатора подсоединены элементы отвода пара.
Достигается технический результат также тем, что генератор пара высокого давления содержит корпус с по крайней мере одной топочной камерой, по крайней мере один водонагреватель, расположенный в топочной камере, и по крайней мере одно горелочное устройство, установленное с возможностью нагрева воды в водонагревателе, при этом горелочное устройство представляет собой сопло Лаваля, работающее на водяном топливе.
Достигается технический результат также тем, что на входе горелочного устройства установлена форсунка для подачи в него воды или водяного пара и электроды для создания электрической дуги, предназначенной для диссоциации этой воды.
Достигается технический результат также тем, что горелочное устройство содержит по крайней мере одно дополнительное сопло Лаваля, образующее с упомянутым соплом, являющимся основным, линейную цепь сопел Лаваля, в которой основное сопло является первым и в которой выход предыдущего сопла цепи соединен с входом одного последующего сопла цепи, так что геометрические размеры последующего сопла цепи превышают геометрические размеры предыдущего сопла цепи.
Достигается технический результат также тем, что горелочное устройство содержит по крайней мере два дополнительных сопла Лаваля, образующих с упомянутым соплом, являющимся основным, разветвленную цепь сопел Лаваля, в которой основное сопло является первым и в которой выход предыдущего сопла цепи соединен с входами двух последующих сопел цепи.
Новые признаки заявленного технического решения заключаются в том, что двигатель содержит по крайней мере одно сопло Лаваля, которое соединено с источником пара и установлено в стенке корпуса наклонно к радиусу ротора с возможностью создания турбинного эффекта.
Новые признаки также заключаются в том, что упомянутый источник пара содержит последовательно соединенные конденсатор, водяной бак, генератор пара высокого давления, ресивер и управляемый контроллером распределительный клапан, к выходам которого подсоединены элементы подачи пара и сопла Лаваля, а элементы отвода пара соединены с входами конденсатора.
Новые признаки также заключаются в том, что генератора пара высокого давления содержит корпус с по крайней мере одной топочной камерой, по крайней мере один водонагреватель, расположенный в топочной камере, и по крайней мере одно горелочное устройство, установленное с возможностью нагрева воды в водонагревателе, при этом горелочное устройство представляет собой сопло Лаваля, работающее на водяном топливе и содержащее установленную на входе форсунку для подачи воды или водяного пара и электроды для создания электрической дуги, предназначенной для диссоциации этой воды.
Новые признаки также заключаются в том, что горелочное устройство содержит по крайней мере одно дополнительное сопло Лаваля, образующее с упомянутым соплом, являющимся основным, линейную цепь сопел Лаваля, в которой основное сопло является первым и в которой выход предыдущего сопла цепи соединен с входом одного последующего сопла цепи, так что геометрические размеры последующего сопла цепи превышают геометрические размеры предыдущего сопла цепи.
Новые признаки также заключаются в том, что горелочное устройство содержит по крайней мере два дополнительных сопла Лаваля, образующих с упомянутым соплом, являющимся основным, разветвленную цепь сопел Лаваля, в которой основное сопло является первым и в которой выход предыдущего сопла цепи соединен с входами двух последующих сопел цепи.
Перечень фигур чертежей
На фиг.1 схематично показан заявленный паровой роторно-лопастный двигатель; на фиг.2, 3 - варианты выполнения генератора пара высокого давления; на фиг.4, 5, 6 - варианты выполнения горелки, используемой в генераторе пара.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Двигатель содержит: неподвижный полый корпус 1, внутренняя поверхность 2 которого выполнена цилиндрической (с торцов корпус закрыт крышами); ротор 3, который выполнен в виде прямого кругового цилиндра с четырьмя радиальными пазами 4; четыре лопасти 5, установленные в упомянутых пазах 4 с возможностью перемещения в этих пазах и скольжения своими рабочими гранями по внутренней поверхности 2 корпуса 1; два элемента 6 подачи пара, установленные в корпусе так, что подаваемый через них пар не создает турбинного эффекта (установлены радиально); два сопла Лаваля 7, установленные в корпусе наклонно к радиусу ротора, так что ось каждого сопла Лаваля ориентирована в направлении соответствующей касательной к цилиндрической поверхности ротора; элементы 8 отвода пара. Кроме того, двигатель содержит соединенные последовательно конденсатор пара 9, водяной бак 10, генератор пара высокого давления 11, ресивер 12 и управляемый контроллером 14 распределитель пара 13. В свою очередь входы конденсатора 9 соединены с выходами элементов 8 отвода пара, а выходы распределителя пара 13 соединены с входами элементов 6 подачи пара и входами сопел Лаваля 7.
В примере, показанном на прилагаемой фигуре, ротор 3 установлен в корпусе 1 соосно с его внутренней цилиндрической поверхностью 2. Пазы 4 и, соответственно, лопасти 5 расположены равномерно по окружности поперечного сечения ротора 3. Минимальное число лопастей четыре. В этом случае угол между любыми двумя смежными лопастями составляет 90°, а угол между противоположными лопастями составляет 180°. Элементы 6 подачи пара установлены в корпусе 1 в вершинах малой оси эллипса рабочей поверхности 2. Сопла Лаваля 7 установлены в корпусе 1 со смещением от элементов 6 на угол, не превышающий 45° в направлении вращения ротора 3. Элементы 8 отвода пара установлены в корпусе 1 со смещением от элементов 6 на угол, не превышающий 45° в направлении, противоположном вращению ротора 3 (направление вращения показано на фиг. дугообразной стрелкой). Кроме того, элементы подачи пара 6 установлены радиально, т.е. с возможностью радиальной подачи пара, так что подаваемый пар не создает динамического (турбинного) эффекта, а сопла Лаваля 7 своими осями установлены наклонно к радиусам ротора, так что ось каждого сопла Лаваля ориентирована в направлении соответствующей касательно к цилиндрической поверхности ротора 3 для создания динамического (турбинного) эффекта. Количество лопастей 5 может быть больше четырех, но обязательно четным. Лопасти 5 должны располагаться равномерно по окружности поперечного сечения ротора 3. При этом лопасти 5 установлены в пазах 4 с подпружиниванием в направлении от оси ротора. Данное подпружинивание обеспечивается установкой в пазах 4 соответствующих пружин (не показаны) и/или подачей в пазы 4 газа под давлением.
Представленный выше пример парового роторно-лопастного двигателя характеризуется выполнением внутренней рабочей поверхности корпуса цилиндрической с образующей в виде эллипса. При этом ротор установлен соосно с корпусом, что обеспечивает сбалансированность сил. Однако такой вариант двигателя не является единственно возможным в объеме заявленной формулы. Возможен, например, вариант, в котором внутренняя рабочая поверхность корпуса (статора) выполнена в виде кругового цилиндра, а ротор установлен со смещением его оси относительно оси корпуса. Возможно также выполнение внутренней рабочей поверхности корпуса со сложной направляющей, как это представлено в описании изобретения по упомянутому выше патенту RU № 2361089.
В двигателе используется генератор пара высокого давления 11, который содержит корпус 15 и две топочные камеры 16 и 17 (фиг.2). В топочной камере 16 установлен водонагреватель 18, выполненный в виде змеевика, горелочное устройство 19 и предохранительный клапан 20. В топочной камере 17 установлен водонагреватель 21, выполненный в виде бака, и горелочное устройство 22. При этом выход водонагревателя 21 посредством трубопровода соединен с входом змеевика 18, предназначенного для генерирования водяного пара высокого давления.
Генератор, показанный на фиг.3, отличается от генератора на фиг.2 тем, что содержит канал 23, связывающий топочные камеры 16 и 17 между собой; при этом генератор содержит только одно горелочное устройство 19.
Каждое горелочное устройство (19 и 22) имеет три варианта исполнения.
В первом варианте исполнения (фиг.4) горелочное устройство представляет собой сопло Лаваля 24 (основное сопло), работающее на водяном топливе. При этом на входе (на входном торце) сопла 24 уставлена форсунка 25 для подачи воды или водяного пара, а также установлены электроды 26 (катод, анод), предназначенные для их подключения к источнику тока высокого напряжения (источник тока не показан).
Во втором варианте исполнения (фиг.5) горелочное устройство содержит упомянутое основное сопло 24 и, по крайней мере, одно дополнительное сопло Лаваля 27, образующее с основным соплом 24 линейную цепь сопел Лаваля. В этой цепи основное сопло 24 является первым, причем выход предыдущего сопла (в данном случае сопла 24) соединен с входом одного последующего сопла (в данном случае сопла 27), так что геометрические размеры последующего сопла превышают геометрические размеры предыдущего сопла. При этом дополнительное сопло 27 содержит форсунку 28 для подачи в него дополнительной воды или водяного пара.
В третьем варианте исполнения (фиг.6) горелочное устройство содержит основное сопло 24 с разделителем 29 для разделения выхода этого сопла на два выходных канала и, по крайней мере, два дополнительных сопла Лаваля 27(1) и 27(2), образующее с основным соплом 24 разветвленную цепь сопел Лаваля, в которой основное сопло 24 является первым и в которой выходные каналы предыдущего сопла (в данном случае сопла 24) соединены с входами двух последующих сопел (в данном случае сопел 27(1) и 27(2)). При этом дополнительные сопла 27(1) и 27(2) содержат соответствующие форсунки 28(1) т 28(2) для подачи в дополнительные сопла дополнительной воды или водяного пара.
Работа двигателя заключается в следующем.
В исходном положении ротора 3 (как показано на фиг.) его противоположно направленные лопасти должны располагаться между соответствующими элементами 6 подачи пара и соответствующими элементами 8 отвода пара, так чтобы элементы 6 находились между соответствующими смежными лопастями 5, а элементы отвода пара 8 при этом не должны находиться между теми же соответствующими смежными лопастями. При этом пространство между смежными лопастями 5 образует одну рабочую камеру (назовем ее первой), а пространство между другими смежными лопастями 5 образует другую рабочую камеру. Если указанное условие начального расположения лопастей в момент пуска двигателя не выполнено, то стартером (не показан) обеспечивается принудительный поворот ротора 3 для обеспечения упомянутого расположения лопастей. В таком положении ротора 3 посредством элементов 6 осуществляют радиальную подачу пара во внутреннюю полость корпуса 1 с двух сторон этого корпуса в два рабочих пространства.
Пар, находящийся под высоким давлением в первой и второй рабочих камерах, оказывает разное давление на смежные лопасти каждой рабочей камеры благодаря эллиптической форме поверхности 2 в ее поперечном сечении и по этой причине разной выдвинутости смежных лопастей. Возникающие в результате этого разности давлений заставляют ротор вращаться по часовой стрелке. При повороте ротора 3 на угол 90° первая по ходу вращения лопасть каждой рабочей камеры переходит точку расположения соответствующего элемента отвода пара 8, вследствие чего пар из каждой рабочей камеры свободно выходит через элементы отвода 8 и поступает в конденсатор 9. Далее цикл повторяется. При этом в конденсаторе пар конденсируется, а образовавшаяся таким образом вода поступает в водяной бак 10, в котором она накапливается. Из бака 10 вода поступает в генератор пара высокого давления 11, из которого образовавшийся там пар поступает в ресивер 12, где он накапливается под большим давлением. Из ресивера пар поступает в управляемый контроллером 14 распределитель пара 13, выходы которого соединены с соответствующим элементами подачи 6 и соплами Лаваля 7. В зависимости от необходимого режима работы двигателя контроллер 14 обеспечивает подачу пара либо только в элементы подачи 6 (обеспечение необходимой мощности двигателя при работе на малых оборотах), либо только в сопла Лаваля 7 (обеспечение необходимой мощности двигателя при работе на больших оборотах за счет турбинного эффекта), либо одновременно в элементы подачи бив сопла Лаваля 7 для дополнительного увеличения мощности двигателя.
Работа генератора пара заключается в следующем.
Вода (конденсат) непрерывно поступает в водонагреватель (бак) 21, где она нагревается при помощи горелочного устройства 22. Далее вода по внутреннему трубопроводу генератора пара поступает в змеевик 18, где она нагревается при помощи горелочного устройства 19, превращаясь тем самым в пар (фиг.2). В варианте генератора пара, представленного на фиг.3, нагревание воды в баке 21 и в змеевике 18 осуществляется при помощи одного горелочного устройства 19.
Каждое горелочное устройство (19 и 22) выполнено в виде сопла Лаваля. При этом в каждое сопло 24 при помощи форсунки 25 подают воду или водяной пар (фиг.4). Электроды 26 подключают к источнику тока высокого напряжения (не показан). В результате прохождения тока в сопле 24 происходит разложение воды на водород и кислород и последующее сгорание водорода с образованием плазмы, температура которой достигает 6000°C. Образующаяся в сопле 24 плазма поступает в соответствующую топочную камеру 16 и 17, где осуществляется нагрев этой плазмой водонагревателя (бака) 21, а также водонагревателя (змеевика) 18. В результате этого на выходе змеевика 18 образуется водяной пар. Клапан 20 осуществляет сброс лишнего давления из топочных камер.
Для увеличения мощности горелочное устройство (позиции 19, 22 на фиг.2 и 3) может быть выполнено в виде линейной (фиг.5) или разветвленной (фиг.6) цепи сопел Лаваля.
Работа горелочного устройства в вариантах, показанных на фиг.5 и 6, заключается в следующем.
Плазма, образующаяся в сопле Лаваля 24, поступает в следующее сопло 27 цепи сопел (фиг.5) или, будучи разделена на два потока разделителем 29 (фиг.6), одновременно в два следующих сопла 27(1) и 27(2).
В это следующее сопло (или два сопла) при помощи форсунки 28 (или форсунок 28(1) и 28(2)) поступает дополнительная вода (или водяной пар), которая под действием плазмы из сопла 24 разлагается на водород и кислород; при этом вновь образовавшийся водород также сгорает. В результате во втором сопле образуется дополнительная плазма, увеличивающая общий объем генерируемой плазмы. Таким образом, при небольших габаритах горелочное устройство позволяет на основе воды генерировать значительную тепловую мощность.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Паровой роторно-лопастный двигатель, содержащий неподвижный полый корпус, внутренняя рабочая поверхность которого выполнена цилиндрической, ротор, который установлен в корпусе и в котором выполнены радиальные пазы, расположенные равномерно по окружности ротора, лопасти, установленные в указанных пазах с возможностью перемещения в этих пазах и скольжения своими рабочими гранями по внутренней рабочей поверхности корпуса в процессе вращения ротора, источник пара, элементы подачи пара, расположенные в стенке корпуса и соединенные с источником пара, и элементы отвода пара, расположенные в корпусе, отличающийся тем, что он содержит по крайней мере одно сопло Лаваля, которое соединено с источником пара и установлено в стенке корпуса наклонно к радиусу ротора с возможностью создания турбинного эффекта, а источник пара выполнен в виде последовательно соединенных конденсатора, водяного бака, генератора пара высокого давления, ресивера и управляемого контроллером распределительного клапана, при этом к выходам распределительного клапана подсоединены элементы подачи пара и сопла Лаваля, а к входам конденсатора подсоединены элементы отвода.
2. Паровой роторно-лопастный двигатель по п.1, характеризующийся тем, что генератор пара высокого давления содержит корпус с по крайней мере одной топочной камерой, по крайней мере один водонагреватель, расположенный в топочной камере, и по крайней мере одно горелочное устройство, установленное с возможностью нагрева воды в водонагревателе, при этом горелочное устройство представляет собой сопло Лаваля, работающее на водяном топливе.
3. Паровой роторно-лопастный двигатель по п.2, характеризующийся тем, что на входе горелочного устройства установлена форсунка для подачи в него воды или водяного пара и электроды для создания электрической дуги, предназначенной для диссоциации этой воды.
4. Паровой роторно-лопастный двигатель по п.2, характеризующийся тем, что горелочное устройство содержит по крайней мере одно дополнительное сопло Лаваля, образующее с упомянутым соплом, являющимся основным, линейную цепь сопел Лаваля, в которой основное сопло является первым и в которой выход предыдущего сопла цепи соединен с входом одного последующего сопла цепи, так что геометрические размеры последующего сопла цепи превышают геометрические размеры предыдущего сопла цепи.
5. Паровой роторно-лопастный двигатель по п.4, характеризующийся тем, что на входе основного сопла цепи установлена форсунка для подачи в него воды или водяного пара и электроды для создания электрической дуги, предназначенной для диссоциации этой воды, а каждое дополнительное сопло цепи содержит форсунку для подачи в него дополнительной воды или водяного пара.
6. Паровой роторно-лопастный двигатель по п.2, характеризующийся тем, что горелочное устройство содержит по крайней мере два дополнительных сопла Лаваля, образующих с упомянутым соплом, являющимся основным, разветвленную цепь сопел Лаваля, в которой основное сопло является первым и в которой выход предыдущего сопла цепи соединен с входами двух последующих сопел цепи.
7. Паровой роторно-лопастный двигатель по п.6, характеризующийся тем, что на входе основного сопла цепи установлена форсунка для подачи в него воды или водяного пара и электроды для создания электрической дуги, предназначенной для диссоциации этой воды, а каждое дополнительное сопло цепи содержит форсунку для подачи в него дополнительной воды или водяного пара.
