PL229066B1 - Rotacyjny silnik cieplny z zewnętrznym dostarczaniem energii - Google Patents

Abstract

Wynalazek rozwiązuje zagadnienie opracowania prostej konstrukcji silnika rotacyjnego z łopatkami (3, 3a) o zmiennej krzywiźnie i/lub długości.

Description

Przedmiotem wynalazku jest rotacyjny silnik cieplny z zewnętrznym dostarczaniem energii, wykorzystujący zewnętrzne źródła energii.

Każdy silnik cieplny działa na zasadzie przetwarzania dostarczanego ciepła w pracę mechaniczną. W przypadku silników wewnętrznego spalania, energia cieplna jest wytwarzana dzięki spalaniu paliwa wewnątrz silnika (w jego komorze spalania). Silniki zewnętrznego spalania (lub szerzej - z zewnętrznym dostarczaniem ciepła) wykorzystują energię cieplną wytwarzaną poza silnikiem.

Z uwagi na wyczerpywanie się zasobów paliw kopalnych, coraz częściej poszukuje się rozwiązań pozwalających na wykorzystywanie ciepła odpadowego z realizowanych procesów. Atrakcyjność silników z zewnętrznym dostarczaniem ciepła polega na ich uniwersalności - mogą one być kojarzone z różnymi źródłami ciepła (w tym ciepła odpadowego) o różnej temperaturze i różnej intensywności dostarczania energii.

Wśród silników z zewnętrznym dostarczaniem ciepła dominującym w chwili obecnej rozwiązaniem są silniki Stirlinga. Są to silniki tłokowe najczęściej wyposażone w rekuperator podnoszący sprawność obiegu. Jedną z cech silników tłokowych jest konieczność zamiany ruchu posuwisto-zwrotnego tłoka na ruch obrotowy wału korbowego. Komplikuje to ich konstrukcję oraz zwiększa masę silnika.

Znane w technice silniki rotacyjne, działające na podobnej zasadzie jak w proponowanym rozwiązaniu, można podzielić na 3 podstawowe grupy:

- silniki łopatkowe, które wykorzystują promieniowe łopatki mocowane suwliwie w rowkach wirnika. Podczas wirowania łopatki te są dociskane do powierzchni cylindra pod wpływem siły odśrodkowej, co powoduje powstawanie komór, w których realizowane są kolejne przemiany termodynamiczne czynnika. Wadą takiego rozwiązania są znaczne siły tarcia powstające przy kontakcie wierzchołka łopatki z powierzchnią cylindra oraz tendencja do zacierania się łopatek w rowkach wirnika;

- silniki z wirującym tłokiem w której to grupie najbardziej rozpowszechnionym rozwiązaniem jest silnik Wankla z cylindrem w kształcie epitrochoidy oraz trójkątnym tłokiem. Obrót tłoka wyznacza kolejno obszary o zmiennej objętości, w których realizowane są procesy sprężania, spalania i rozprężania spalin. Podstawowym problemem w tej grupie silników są trudności z uszczelnieniem przestrzeni roboczych z uwagi na liniowy styk powierzchni tłoka i cylindra;

- silniki o zmiennej objętości komór wirnika. Ta grupa rozwiązań wykorzystuje zmiany objętości pomiędzy dwoma współosiowymi grupami łopatek wirnika (przegród), wywołane przez ich wahliwy ruch obwodowy. Łopatki jednej z grup cyklicznie zbliżają się i oddalają od łopatek drugiej grupy, co wywołuje okresowo zmienną objętość komór międzyłopatkowych.

W opisach patentowych P232690 i EP043880A1 przedstawiono silnik rotacyjny o spalaniu zewnętrznym, którego wnętrze jest cylindryczne, wirnik osadzony jest mimośrodowo i zawiera wiele promieniowych łopatek, wyznaczających przestrzenie robocze, przy czym każda łopatka jest dociskana promieniowo w kierunku na zewnątrz, do wewnętrznej ścianki korpusu cylindra.

W opisie patentowym 62192 zaproponowano system wkładek oraz pierścieni uszczelniających, mających za zadanie zapewnienie większej szczelności poszczególnych komór roboczych silnika łopatkowego oraz zmniejszenie występujących w nim strat tarcia, a kształt bieżni cylindra w postaci owalu Cassiniego.

W opisie patentowym 166324 kształt bieżni cylindra silnika łopatkowego zdefiniowano w postaci zmodyfikowanej elipsy. W celu zmniejszenia strat tarcia na styku krawędzi łopatek z bieżnią cylindra, w opisie patentowym 166305 zastosowano prowadzenie łopatek po specjalnie ukształtowanej bieżni za pomocą łożysk osadzonych na wystających z łopatek trzpieniach. Podobna koncepcja prowadzenia łopatek została przedstawiona w opisie patentowym 208394. Dodatkowo w dość złożony sposób zdefiniowano w nim kształt bieżni roboczej cylindra oraz kształt obwodowej powierzchni wirnika z charakterystycznym rowkiem obwodowym.

W opisie patentowym 165228 przedstawiono koncepcję silnika o zmiennej objętości komór wirnika wraz ze skomplikowaną przekładnią złożoną z czterech mimośrodowych elips zębatych, synchronizującą ruch obydwu grup łopatek. W opisie patentowym 170127 przedstawiono rozwiązanie, w którym uproszczeniu uległa konstrukcja przekładni mechanicznej (mniejsze straty mechaniczne). Zaproponowano wewnętrzne chłodzenie łopatek wirnika oraz zadbano o ich uszczelnienie w cylindrze. Podstawową wadą tej grupy rozwiązań są oscylacyjne ruchy przegród, będące źródłem drgań skrętnych

PL 229 066 B1 układu, a konieczność stosowania przekładni w postaci elips zębatych czyni takie silniki kosztownymi, trudnymi technologicznie oraz mało atrakcyjnymi przy eksploatacji w zmiennych warunkach pracy.

Rozwiązanie opisywane w zgłoszeniu dotyczy silnika, w którym wyeliminowano ruch posuwisto-zwrotny tłoka realizującego procesy ekspansji (przyrostu objętości) oraz kompresji (jej zmniejszania), zastępując go zmiennością przestrzeni roboczej komór silnika, powstających w trakcie jego pracy dzięki specjalnej konstrukcji łopatek wirnika, pozwalającej na zmiany ich geometrii w trakcie ruchu.

Rotacyjny silnik cieplny z zewnętrznym dostarczaniem energii z cylindrem usytuowanym w korpusie silnika i zamocowanymi do niego p okrywami bocznymi, w których ułożyskowany jest wirnik o osi mimośrodowo przesuniętej w stosunku do osi cylindra z osadzonymi w nim łopatkami i zmiennej objętości komór międzyłopatkowych, charakteryzuje się tym, że łopatki wirnika posiadają zmienną geometrię.

W wirniku osadzone są co najmniej dwie łopatki.

Łopatki charakteryzują się zmienną krzywizną i/lub zmienną długością. Łopatki o zmiennej krzywiźnie mają budowę segmentową. Korzystnie składają się z dwóch lub trzech segmentów. Łopatki dwusegmentowe osadzone są w wirniku ruchomo, korzystnie przegubowo, trzysegmentowe nieruchomo. Łopatki o zmiennej długości są łopatkami promieniowymi, teleskopowymi.

Końcówki łopatek zamocowane są w zewnętrznym pierścieniu prowadzącym ułożyskowanym w korpusie cylindra ruchomo, korzystnie przegubowo.

Pomiędzy wirnikiem a pierścieniem prowadzącym znajduje się teleskopowy łącznik o zmiennej długości synchronizujący ruch obrotowy wirnika i pierścienia. Pierścień prowadzący zapewnia stałą obwodową odległość końcówek łopatek, wynoszącą 360°/k - gdzie k jest liczbą łopatek.

Na bocznych powierzchniach wirnika znajduje się uszczelnienie labiryntowe w postaci rowków pierścieniowych współpracujących z występami w bocznej płycie silnika zapobiegające przedostawaniu się przecieków czynnika roboczego w kierunku łożysk wirnika.

Przedmiot wynalazku uwidoczniony jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia silnik z łopatkami o zmiennej krzywiźnie w przekroju poprzecznym, fig. 2 - silnik z łopatkami o zmiennej krzywiźnie w przekroju wzdłużnym, fig. 3 - silnik hybrydowy z łopatkami o zmiennej krzywiźnie i zmiennej długości w przekroju poprzecznym, fig. 4 - silnik hybrydowy z łopatkami o zmiennej krzywiźnie i zmiennej długości w przekroju wzdłużnym.

Zasadniczymi elementami silnika są cylinder 2 osłonięty warstwą izolacyjną 18 oraz umieszczony w nim mimośrodowo wirnik 1 podparty na łożyskach 14, ułożyskowany w pokrywach bocznych 12. Łopatki o zmiennej geometrii 3 tworzą komory robocze 4, których objętość zmienia się w trakc ie ruchu obrotowego wirnika. Poszczególne komory są ograniczone dwiema sąsiednimi łopatkami, powierzchniami: zewnętrzną wirnika, wewnętrzną cylindra oraz płaskimi powierzchniami bocznych tarcz zamykających 10. Łopatki 3 są zamocowane na wirniku 1 nieruchomo.

Drugi koniec łopatek mocowany jest w sposób przegubowy do pierścienia prowadzącego 5 ułożyskowanego w korpusie cylindra. Takie rozwiązanie ma na celu wyeliminowanie tarcia krawędzi łopatek o powierzchnię cylindra. W celu zsynchronizowania ruchu wirnika i pierścienia prowadzącego, zostały one podatnie związane za pomocą łącznika teleskopowego 9, mającego za zadanie ograniczenie oscylacji w ruchu względnym pierścienia 5 i wirnika 1. Łącznik pełni również rolę amortyzatora ograniczającego amplitudę drgań skrętnych układu.

Funkcje dostarczania i odbierania ciepła są realizowane za pomocą segmentów: grzejnego 6 oraz chłodzącego 7 odizolowanych od cylindra za pomocą wkładek z izolacji termicznej 8. Aby uniemożliwić przedostawanie się ewentualnych przecieków czynnika roboczego w stronę łożysk, zastosowano uszczelnienie labiryntowe 15 w postaci rowków pierścieniowych na bocznych powierzchniach wirnika, współpracujących z występami wykonanymi w bocznej płycie silnika. Ostateczne zamknięcie przestrzeni wewnętrznej silnika zapewniają pierścienie uszczelniające 16.

W wersji hybrydowej wykonano silnik, w którym jedna z łopatek 3a jest typu teleskopowego (ma zmienną długość). Rozwiązanie takie zapewnia mniejsze różnice chwilowych prędkości obrotowych wirnika 1 i pierścienia 5. W wersji tej łopatka teleskopowa 3a spełnia jednocześnie rolę łącznika/amortyzatora, co upraszcza konstrukcję silnika.

Zasada działania silnika według wynalazku jest oparta na obiegu termodynamicznym złożonym z przemian realizowanych w komorach o zmiennej objętości. Zmiany objętości komór są wywoływane dzięki mimośrodowemu położeniu wirnika w stosunku do osi cylindra oraz dzięki zmiennej geometrii łopatek oddzielających poszczególne komory.

PL 229 066 B1

Silnik wykorzystuje różnicę strumieni ciepła: dostarczanego do czynnika roboczego poprzez segment grzejny 6 oraz odbieranego od czynnika przez segment chłodzący 7 i przetwarza ją na energię mechaniczną ruchu obrotowego. Czynnik znajdujący się w części komory przylegającej do segmentu grzejnego 6 nagrzewa się, przez co rośnie jego ciśnienie i temperatura. Z uwagi na stosunkowo małą objętość strefy nagrzewania, przyrost ten jest intensywny. Z uwagi na niższą temperaturę i ciśnienie w sąsiadującej komorze na łopatce rozgraniczającej sąsiednie strefy pojawia się rozkład ciśnień dający wypadkową siłę obracającą wirnik. Dodatkowo, dzięki mimośrodowemu położeniu wirnika w stosunku do cylindra, czynna powierzchnia każdej z dwóch łopatek tworzących komorę roboczą jest różna, przez co ciśnienie panujące w komorze daje wypadkową siłę, która również generuje moment obrotowy. W strefie rozprężania gorących gazów, która jest izolowana cieplnie od otoczenia, następuje spadek ich ciśnienia i temperatury, związany z przekazaniem energii czynnika wirnikowi (zamiana na energię mechaniczną). Tą fazę cyklu pracy silnika można nazwać generowaniem pracy użytecznej. W kolejnej fazie pracy ciepło jest oddawane na zewnątrz poprzez segment chłodzący 7 przez co obniża się temperatura czynnika.

Następnie czynnik jest sprężany mechanicznie dzięki zmniejszaniu się objętości komory roboczej w trakcie obrotu wirnika. Skutkuje to wzrostem jego ciśnienia. Faza ta zamyka obieg i cykl powtarzany jest ponownie. W przypadku zastosowania czynnika umożliwiającego realizację przemian fazowych, w fazie dostarczania ciepła następuje odparowanie czynnika przez co uzyskuje się dodatkowy wzrost ciśnienia roboczego. Z kolei w fazie odbierania ciepła czynnik ulega skropleniu, co daje dodatkowy spadek ciśnienia na podciśnieniowej stronie łopatki (zmniejszenie przeciwciśnienia). Dodatkowo wzrasta intensywność procesów dostarczania i odbierania ciepła.

Zmiana geometrii łopatek wraz ze zmienną odległością powierzchni wirnika i cylindra uzyskaną dzięki mimośrodowemu położeniu jego osi w stosunku do osi cylindra, umożliwia uzyskiwanie zmian objętości, w której znajduje się czynnik roboczy podlegający kolejno:

- ogrzewaniu w przestrzeni o małej objętości (dostarczanie ciepła) - zakłada się przemianę porównawczą w postaci izochory;

- rozprężaniu przy wzroście objętości (ekspansja) w przestrzeni izolowanej cieplnie - zakłada się przemianę porównawczą w postaci izentropy;

- chłodzeniu czynnika w przestrzeni o dużej objętości (odbieranie ciepła) - zakłada się ponownie przemianę porównawczą w postaci izochory;

- sprężaniu przy zmniejszaniu objętości (kompresja) w przestrzeni izolowanej cieplnie - zakłada się przemianę porównawczą w postaci izentropy.

Otrzymany w ten sposób obieg porównawczy składa się z dwóch izochor oraz dwóch izentrop i jest analogiczny do obiegu cieplnego Otto, przy czym w odróżnieniu od obiegów silników spalinowych jest to obieg zamknięty, realizowany bez wymiany ładunku, przez czynnik o stałej masie.

W najprostszym wariancie czynnikiem roboczym dla takiego silnika może być powietrze, natomiast dla zwiększenia efektywności realizowanych procesów termodynamicznych możliwe jest wykorzystanie przemian fazowych z wykorzystaniem jednego z czynników chłodniczych (np. typu „R”). W trakcie obiegu występuje on w postaci pary nasyconej mokrej, czyli dwufazowej mieszaniny cieczy wrzącej i suchej pary nasyconej. W trakcie dostarczania ciepła (przemiana izobaryczno-izotermiczna), ubywa fazy ciekłej a zwiększa się ilość fazy gazowej (parowanie), czyli zwiększa się stopień suchości czynnika. Proces ten jest związany z jego gwałtowną ekspansją (przyrostem objętości), która można wykorzystać do wytworzenia pracy mechanicznej. Z kolei w trakcie odbierania ciepła (także w przemianie izobaryczno-izotermicznej) będzie mieć miejsce wykraplanie pary i wzrost udziału fazy ciekłej sprzyjający kompresji (zmniejszaniu objętości) czynnika. Ciśnienie nasycenia pary nasyconej mokrej powinno być dobrane w zależności od temperatury górnego źródła obiegu. Obieg porównawczy z wykorzystaniem przemian fazowych będzie składał się z dwóch izoterm i dwóch izentrop, a więc będzie odpowiadał cyklowi przemian obiegu Carnota, dla którego uzyskuje się najwyższą możliwą sprawność teoretyczną w określonym zakresie temperatur (wyznaczonym przez temperatury górnego i dolnego źródła ciepła). Podstawowe cechy konstrukcyjne rotacyjnego silnika cieplnego to:

- prosta geometria wirnika i cylindra: zarówno wirnik jak i cylinder mają kształt walca, przy czym oś wirnika jest przesunięta mimośrodowo w stosunku do osi cylindra;

- brak tarcia wierzchołków łopatek o powierzchnię bieżni cylindra oraz brak przemieszczeń łopatek w rowkach wirnika: łopatki są mocowane na obwodzie wirnika oraz na powierzchni zewnętrznego pierścienia prowadzącego, ułożyskowanego w korpusie cylindra. Dzięki temu eliminuje się tarcie ślizgowe, zastępując je tarciem tocznym;

PL 229 066 B1 w celu zapewnienia realizowalności kinematyki silnika, łopatki wirnika posiadają zmienną geometrię, która może być uzyskiwana dzięki zmianie ich krzywizny (łopatki segmentowe „łamane”) lub długości (łopatki „teleskopowe”);

w celu zwiększenia intensywności procesów wymiany ciepła w silniku, przewiduje się wykorzystanie w jego obiegu cieplnym przemian fazowych tj.: odparowania czynnika roboczego w fazie dostarczania ciepła (ogrzewania czynnika) oraz jego skraplania w fazie odbierania ciepła (chłodzenia czynnika);

silnik stanowiący przedmiot wynalazku jest silnikiem z zewnętrznym dostarczaniem ciepła realizującym zamknięty obieg termodynamiczny, przez co unika się strat związanych z procesami wymiany ładunku w cylindrze;

silnik wykorzystuje zewnętrzne źródła ciepła (w tym ciepło odpadowe), jest silnikiem o zerowej emisji spalin, dzięki zastosowaniu przemian fazowych, przy odpowiednim doborze czynnika roboczego, może współpracować z niskotemperaturowymi źródłami ciepła.

Claims (1)

1. Rotacyjny silnik cieplny z zewnętrznym dostarczaniem energii zawierający cylinder usytuowany w korpusie silnika z zamocowanymi do niego pokrywami bocznymi, w których ułożyskowany jest wirnik o osi mimośrodowo przesuniętej w stosunku do osi cylindra z osadzonymi w nim łopatkami i zmiennej objętości komór międzyłopatkowych, znamienny tym, że łopatki (3, 3a) wirnika (1) posiadają zmienną geometrię.

   Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że w wirniku (1) osadzone są co najmniej dwie łopatki. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że łopatki wirnika (1) są łopatkami o zmiennej krzywiźnie (3).

   Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że łopatki wirnika (1) są łopatkami o zmiennej długości (3a).

   Silnik według zastrz. 1 albo 3, znamienny tym, że zawiera cztery łopatki o zmiennej krzywiźnie (3).

   Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera co najmniej jedną łopatkę o zmiennej długości (3a).

   Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że łopatki o zmiennej krzywiźnie (3) mają budowę segmentową.

   Silnik według zastrz. 1 albo 3, znamienny tym, że łopatki o zmiennej krzywiźnie (3) składają się z dwóch segmentów.

   Silnik według zastrz. 1 albo 3, znamienny tym, że łopatki o zmiennej krzywiźnie (3) składają się z trzech segmentów.

   Silnik według zastrz. 1 albo 4, albo 6, znamienny tym, że łopatki o zmiennej długości (3a) są łopatkami promieniowymi.

   Silnik według zastrz. 10, znamienny tym, że łopatki o zmiennej długości (3a) są łopatkami teleskopowymi.

   Silnik według zastrz. 1 albo 8, znamienny tym, że dwusegmentowe łopatki (3) mocowane są w wirniku ruchomo.

   Silnik według zastrz. 1 albo 8, znamienny tym, że dwusegmentowe łopatki (3) mocowane są w wirniku przegubowo.

   Silnik według zastrz. 1 albo 9, znamienny tym, że trzysegmentowe łopatki (3) mocowane są w wirniku nieruchomo.

   Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że końcówki łopatek (3, 3a) w zewnętrznym pierścieniu prowadzącym (5) ułożyskowanym w korpusie cylindra (2), zamocowane są ruchomo. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że końcówki łopatek (3, 3a) w zewnętrznym pierścieniu prowadzącym (5) ułożyskowanym w korpusie cylindra (2), zamocowane są przegubowo. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiędzy wirnikiem (1) a zewnętrznym pierścieniem prowadzącym (5) znajduje się teleskopowy łącznik (9) o zmiennej długości.

   Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że na bocznych powierzchniach wirnika (1) znajduje się uszczelnienie labiryntowe (15) w postaci rowków pierścieniowych na bocznych powierzchniach wirnika (1) współpracujących z występami w bocznej płycie silnika (12).