PL229644B1 - Rotacyjny silnik cieplny z zewnętrznym dostarczaniem energii - Google Patents

Abstract

Zgłoszenie rozwiązuje zagadnienie opracowania prostej konstrukcji rotacyjnego silnika cieplnego z komorami (5) o zmiennej objętości, umieszczonymi na prowadnicach (10) wirnika (3).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest rotacyjny silnik cieplny z zewnętrznym dostarczaniem 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 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 (o różnej temperaturze i różnej intensywności dostarczania energii) z realizowanych procesów.

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

PL 229 644 B1

W zgłoszeniu patentowym P.411708 opisano 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, przy czym łopatki wirnika posiadają zmienną geometrię.

Istotą wynalazku jest rotacyjny silnik cieplny z zewnętrznym dostarczaniem energii z wirnikiem osadzonym mimośrodowo w cylindrycznej obudowie, na którym zamontowane są co najmniej dwie, korzystnie cztery, komory o zmiennej objętości w postaci mieszków sprężystych lub tłoków z cylindrami, z prowadnicami i elementami tocznymi.

Przedmiot wynalazku uwidoczniony jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia silnik w przekroju poprzecznym.

P r z y k ł a d 1. Silnik posiada korpus ze strefą grzania 8 i strefą chłodzenia 9 oraz osią 2. Obudowę silnika stanowi tuleja 4. Obudowa osadzona jest mimośrodowo z wirnikiem 3 wokół osi 1. Do wirnika 3 zamocowane są podstawami cztery komory 5 o zmiennej objętości w postaci mieszków sprężystych. Górna część każdej komory 5 została wyposażona w trzpień 10, na którym zamocowana została rolka 7. Komory 5 pod wpływem przyrostu ciśnienia zwiększają swą długość. Trzpień 10 może poruszać się wraz z rolką oraz górną częścią komory 5. Prawidłowe położenie trzpienia 10 zapewnia tuleja 6 połączona z wirnikiem 3.

Silnik wykorzystuje różnice strumieni ciepła: dostarczanego do czynnika roboczego poprzez strefę grzania 8 oraz odbieranego od czynnika roboczego przez strefę chłodzenia 9 i przetwarza ją na energię mechaniczną ruchu obrotowego. W następstwie obrotu, komory 5 cyklicznie znajdują się w strefie grzania (wydłużają się) oraz chłodzenia (kurczą się). Kiedy komora 5 zbliża się do strefy grzania 8, na skutek ogrzewania czynnik znajdujący się wewnątrz - rozpręża się. Komora wydłuża się dopychając rolkę 7 do obudowy 4 silnika. Dalsze wydłużanie komory powoduje, że rolka 7 zaczyna toczyć się po bieżni obudowy 4, powodując obrót wirnika 3 i generację momentu napędowego. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu mimośrodu pomiędzy osią 1 wirnika 3 a osią 2 obudowy 4.

W najprostszym wariancie czynnikiem roboczym dla silnika może być powietrze, natomiast dla zwiększenia efektywności realizowanych procesów termodynamicznych możliwe jest wykorzystanie przemian fazowych np. z wykorzystaniem jednego z czynników chłodniczych (np. typu „R”). W trakcie przemian obiegu występuje on w postaci pary nasyconej mokrej, czyli dwufazowej mieszaniny cieczy wrzącej i suchej pary nasyconej. W trakcie dostarczania ciepła, 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), którą można wykorzystać do wytworzenia pracy mechanicznej. Z kolei w trakcie odbierania ciepła ma miejsce wykraplanie się pary i wzrost udziału fazy ciekłej, co sprzyja kompresji (zmniejszaniu objętości) czynnika. Ciśnienie nasycenia pary nasyconej mokrej powinno być dobrane w zależności od temperatury źródeł górnego i dolnego 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).

Claims (1)

1. Rotacyjny silnik cieplny z zewnętrznym dostarczaniem energii z wirnikiem osadzonym mimośrodowo w cylindrycznej, znamienny tym, że do wirnika (3) zamocowane są co najmniej dwie komory (5) o zmiennej objętości z prowadnicami (10) i elementami tocznymi (7).

   Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że na wirniku (3) osadzone są cztery komory (5). Silnik według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że komory (5) mają postać mieszków sprężystych.

   Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że prawidłowe położenie prowadnic (10) zapewniają tuleje (6) połączone są z wirnikiem (3).

   Silnik według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że komory (5) mogą być w postaci tłoków z cylindrami.