RU9263U1 - Роторный двигатель непрерывного горения - Google Patents

Abstract

Роторный двигатель, содержащий корпус с цилиндрической полостью, установленный в полости ротор с осью вращения, параллельной образующей цилиндрической полости, образующий со стенками полости камеру сжатия и камеру расширения, первый канал для впуска в камеру сжатия и второй канал для выпуска из камеры расширения рабочего тела, выполненные в теле корпуса, камеру сгорания, отличающийся тем, что полость в поперечном сечении образована двумя одинакового радиуса полуокружностями с разнесенными вдоль общего диаметра центрами, ротор установлен с возможностью скольжения по дуге стенки полости в линии касания ротора со стенкой полости, камера сжатия и камера расширения расположены последовательно вдоль оси ротора и отделены друг от друга радиальной перегородкой, разделяющей полость на два объема, а поверхность ротора - на две части, каждая из которых снабжена расположенными под углом 120друг к другу радиальными лопастями, выполненными подпружиненными с возможностью перемещения в радиальном направлении и касания стенки полости корпуса, при этом в теле корпуса вдоль цилиндрической полости в области скольжения ротора выполнен третий канал, разделенный, как и полость, радиально установленной перегородкой, выполненной перфорированной, и участок третьего канала вдоль камеры сжатия образует демпферную камеру, участок вдоль камеры расширения - камеру сгорания, сообщающиеся продольными щелями с камерой сжатия и камерой расширения соответственно, а первый и второй каналы для впуска в камеру сжатия и выпуска из камеры расширения рабочего тела сообщаются каждый со своей камерой посредством серпообразных щелей, распо

Description

. РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ -,; НЕПРЕРЫВНОГО ГОРЕНИЯ.

Полезная модель относится к области двигателестроенния, в частности, к двигателям внутреннего сгорания.

Одной из основных проблем конструирования двигателей внутреннего сгорания (RBC) является проблема уменьшения их веса ( повышения удельной мощности). Известны различные пути решения указанной проблемы, в частности:

энергетически - повышая энергосодержание цикла путем повышения термодинамических показателей или увеличивая количество циклов в единицу времени, т. е. повышая скорость вращения;

конструктивно - снижая размеры элементов конструкции, например, располагая цилиндры под углом друг к другу или по кругу звездообразно;

технологически - применяя везде, где это возможно, легкие сплавы.

Однако даже в лучших конструкциях наиболее распространенных четырехтактных двигателей удельная мощность не превышает 1 кВт/кГ. Основным же препятствием, на наш взгляд, является способ конструктивной реализации цикла Карно: все составляющие цикла локализованы в пространстве и протекают последовательно во времени. Это означает, что каждый рабочий объем только часть времени использует для извлечения энергии из топлива, а остальное время занято вспомогательными процессами. Даже частичное изменение этого способа в двухтактных двигателях - попарное разнесение составляющих цикла в пространстве и их совмещение во времени дает существенный выигрыш в массе двигателя.

Наиболее полно пространственное разнесение составляющих цикла Карно и их совмещение во времени реализуется в газотурбинных двигателях (ГТД). Эти двигатели (без дополнительных агрегатов, прежде всего - редукторов) достигают значений удельной мощности в несколько кВт/кГ Однако, принципиальной особенностью газотурбинных двигателей является необходимость преобразования потенциальной энергии рабочего тела в кинетическую. Вследствие этого повышение энергоемкости рабочего тела означает увеличение СКОРОСТИ потока рабочего тела, следовательно увеличения угловой скорости ротора, а это в свою очередь приводит к необходимости редукции скорости вращения выходного вала. Масса редуктора порой превышает массу самого двигателя и существенно ухудшает суммарные характеристики.

Удачной попыткой сочетания /: остоинств обоих упомянутых способов является роторный двигатель Ф.Ванкеля, принятый за прототип (см. Двигатели внутреннего сгорания, под редакцией А. С. Орлова и М. Т. Круглова, Машиностроение, 1984, т.З, с. 261).

Роторный двигатель содержит корпус с полостью с двуэпитрохоидной поверхностью, ротор, имеющий треугольную форму, установленный в полости на шарикопдшипниках на эксцентриковом валу, впускной и выпускной Каналы. На эксцентриковом валу с двух сторон насажены два маховика-противовеса, служащих для уравновешивания центробежных сил, вознникающих

:/

вс)11едствие вращения ротора вокруг оси эксцентрикового вала. С каждой стороны ротора ставится по три торцовых уплотнения. Уплотняющие пластины прижимаются к поверхностям корпуса пластинчаты1и(Й п(;|ужинами-экспандерами. Сложнйе планетарнное движение ротора обеспечивается двумя шестернями, одна из которых - малая, неподвижно уфеплена в корпусе двигателя, а другая - большая, соединена с ротором. Сжатие, расширение, впуск и выпуск рабочего тела производится при изменении объемов полостей, образованных между полостью корпуса двигателя и совершающим сложное планетарное джвижение ротором, имеющим треугольную форму.

Главное отличие двигателя Ванкеля от поршневых двигателей состоит в замене возвратнопоступательного движения поршней вращательным. Вследствие этого может быть увеличена частота вращения вала двигателя, что при одинаковом массовом заряде рабочего объема позволяет получить большую мощность. Поэтому при одинаковых мощностях роторные двигатели компактнее обычных поршневых двигателей и легче последних.

Однако в двигателе Ванкеля, как и в других ДВС (фоме ГТД), сгорание смеси осуществляется дисфетно, то есть объем камеры сгорания используется не эффективно, и, соответственно, не обеспечивается высокая удельная мощность. Кроме того, двигатель Ванкеля весьма сложен в изготовлении, в частности, из-за сложной поверхности полости корпуса и повышенных требованиям к уплотненниями между рабочими зонами. Поверхности полости корпуса и уплотнений испытывают большие контактные удельные нагрузки и быстро изнашиваются. Поэтому моторесурс такого двигателя меньше моторесурса обычного поршневого двигателя. Нарушение уплотнения в какой-либо полости может вызвать прорыв горячих газов и воспламенение свежего заряда в соседней полости.

В основу настоящей полезной модели положена задача создать более технологичный роторный ДВС, в котором процесс сгорания смеси осуществляется непрерывно, и тем самым обеспечить более высокую удельную мощность ДВС, а также повысить его моторесурс.

Поставленная задача решается тем, что в роторном двигателе, содержащем корпус с цилиндрической полостью, установленный в полости ротор с осью вращения, параллельной образующей цилиндрической полости, образующий со стенками полости камеру сжатия и камеру расширения, первый канал для впуска в камеру сжатия и второй канал для выпуска из камеры расширения рабочего тела, выполненные в теле корпуса, камеру сжигания, согласно предлагаемому решению, полость в поперечном сечении образована двумя одинакового радиуса полуофужностями с разнесенными вдоль общего диаметрами центрами, ротор установлен с возможностью скольжения по дуге стенки полости в линии касания ротора со стенкой полости, камера сжатия и камера расширения расположены вдоль оси ротора и отделены друг от друга радиальной перегородкой, разделяющей полость на два объема, а поверхность ротора на две части, каждая из которых снабжена расположенными под углом 120 градусов друг к другу радиальными лопастями, выполненными подпружиненными с возможностью перемещения в радиальном направлении и касания стенки полости корпуса, при этом в теле корпуса вдопь цилиндрической полости в области скольжения ротора выполнен третий канал, сообщающийся продольной щелью с полостью и разделенный, как и полость радиально установленной перегородкой, выполненной перфорированной, и участок третьего канала вдоль камеры сжатия образует демпферную камеру, участок вдоль камеры расширения - сгорания, а первый и второй каналы для впуска в камеру сжатия и выпуска из камеры расширения рабочего тела сообщаются с камерами серпообразными щелями, расположенными по дугам полостей корпуса длиной до 120 градусов, отмеренным от линии касания ротора со стенкой полости.

В предлагаемом ДВС камеры сжатия, сгорания и расширения рабочей смеси разнесены в пространстве, а процессы сжатия, сгорания и расширения совмещены во времени, что позволяет обеспечить непрерывность сжигания рабочей смеси и, соответственно, повысить удельную мощность ДВС. Кроме того, поскольку камера сжатия и камера сгорания отделены друг от друга демпферной камерой, а камера расширения размещается в другой относительно камеры сжатия полости, отсутствует возможностц прорыва горящей смеси к сжимаемой, что снижает требования к уплотнениям и повышает моторесурс ДВС. Кроме того, профили полостей корпуса и ротора более просты, и, соответственно, ДВС более технологичен.

В дальнейшем предлагаемая полезная модель поясняется описанием примеров ее выполнения со ссылками на припагаемые чертежи, где :

фиг. 1 изображает роторный двигатель в аксонометрии;

фиг. 2 - контур полости и ротора;

фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 1;

фиг. 4 - рэзрез В-В на фиг. 1.

Согласно предлагаемой полезной модели роторный двигатель содержит корпус 1 с цилиндрической полостью, образованной в поперечном сечении двумя одинакового радиуса R (фиг. 2) полуокружностями с разнесенными на величину а вдоль общего диаметра центрами. В полости установлен ротор 2 (фиг. 1), имеющий ось вращения, параллельную оси полости. Радиус г ротора 2 меньше радиусов R окружностей, образующих полость корпуса 1. При этом ось вращения ротора смещена от центра попости вдоль общего диаметра ее офужностей таким образом, что ротор 2 касается стенки полости. Полость корпуса 1 разделена радиальной перегородкой 3 на два объема, а поверхность ротора 2 на две части 2а, 26. Первый объем полости и первая часть ротора 2а образуют камеру 4 сжатия, а второй объем попости 1 и вторая часть ротора 26 - камеру 5 расширения. При этом камера 4 сжатия и камера 5 расширения расположены последовательно вдоль оси вращения ротора 2. Части ротора 2а и 26 снабжены расположенными под углом 120 фздусов друг к другу радиальными лопастями 6а и 66 соответственно. Лопасти 6а и 66 выполнены подпружиненными расположенными в теле каждой лопасти пружинами, опирающимися на ротор и обеспечивающими радиальное перемещение попастей до касания стенки полости корпуса 1 (фиг. 3 и фиг. 4). В теле корпуса 1 выполнены первый канал 7 (фиг. 3) для впуска в камеру 4 сжатия и второй канал 8 (фиг. 4) для выпуска из камеры 5 расширения рабочего тела, сообщающиеся каждый со своей камерой посредством серпообразных щелей (12), расположенных по дугам боковых поверхностей полостей длиной до 120 градусов, отмеренных от линии касания ротора со стенкой полости. В теле корпуса 1 вдоль цилиндрической полости в области касания ротора выполнен третий цилиндрический канал 9, разделенный, как и полость радиальной перегородкой 10 на две части ( 9а - демпферная камера и 96 - камера сгорания), каждая из которых сообщается с соответствющей камерой (9а - с камерой 4, а 96 - скамерой 5) продольными щелями, расположенными относительно серпообразных щелей по другую сторону линии касания ротора со стенкой полости. Перегородка 10 между камерами 9а и 96 выполнена перфорированной.

Конструктивно узел сжатия, включающий в себя камеру 4 сжатия, первый канал 7 с серповидными щелями и демпферную камеру 9а с продольной щелью, и узел расширения, включающий в себя камеру 5 расширения, второй канал 8 с серповидными щелями и камеру сгорания 96 с продольной щелью совершенно одинаковы, расположены друг относительно друга повернутыми на 180 градусов вокруг общего диаметра полости корпуса и отличаются только длиной Ъ. Соотношения длин этих узлов определяется при расчете конкретной модели двигателя по условию изобарического расширения рабочего тела в процессе горения, а именно: т.к. сечения камер сжатия и расширения одинаковы, то объемы камер пропорциональны их длинам, но это означает, что длина узла расширения во столько раз больше длины узла сжатия, во сколько раз абсолютная конечная температура в камере сгорания больше абсолютной начальной температуры в ней же или, что практически то же самое, абсолютной конечной температуры в демпферной камере.

Роторный двигатель работает следующим образом.

При вращении роторов по часовой стрелке лопасти 3 узла сжатия, удаляясь от точки касания ротора и статора, всасывают через щели 4 воздух, затем, после поворота на угол более 120 градусов, при дальнейшем вращении сжимают его и через щель 5 выталкивают в камерудемпфер 6. Камера 6 сглаживает пульсации входного потока и обеспечивает равномерную подачу воздуха в камеру 8. В камеру 8 через форсунку (на рисунке не показана) подается горючее, которое при старте поджигается свечей, а затем горение поддерживается само. Воздух и продукты горения, имеющие давление примерно равное давлению воздуха в демпферной камере, но существенно больший объем, через продольную щель 9 поступают в камеру расширения, давят на лопасть 11 и заставляют вращаться ротор 10. После поворота роторов от начального момента на 240 градусов лопасть 11 открывает щели 12 и продуюы сгорания выходят из двигателя. Так как площадь лопасти 11 больше площади лопасти 3 расширение горячих газов обеспечивает вращение ротора узла сжатия и выходной крутящий момент.

Далее приведен конфетный пример осуществления полезной модели и ее частей, допускающий различные изменения и дополнения, которые очевидны специалистам в данной области техники. Поэтому полезная модель не ограничивается этим описанным примером или отдельными элементами, и в нее могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят за пределы существа и объема полезной модели, определенные формулой полезной модели. Ниже приведен термодинамический расчет роторного двигателя непрерывного горения (РДК) малой мощности:

Исходные данные

R 50; г 45; а 24; Ь 8; R О.Эатм; ,05атм; т; 300 К; Т, 1200 К;

8г ooc-Vi-Vz

, С) - сжатие, () - расширение

г- - -я Нк .:-01Vz Vi

-l- {j-i 5°5 -K-il

показатель

Чзея сжатия: р 0,9x17,0 15,3 атм; Тг 300x1,65 465 К; ДЭР 0,8 атм;

m 1,29x0,9x26,6x10- 31х10 г/ц1;

Камера сгорания: Р, 14,5; V, V Tf/ Tf 0,15x25x0,8x1200/465 7,75 (см) Ызея расширения: V- 1200 К; Г 1200/1,55 774 К; Ь 7,75/0,15x25 2 (см) Работа: W 31xlO х287х(1200-774 + 300-465)/0,2 11,6 (Дж/ц)

N 11,6x150 1,75 кВт 1г..г 426/1200 0,35 I

В данном примере соотношение длин узлов сжатия и расширения составило 2:5. Сохраняя термодинамический режим, исходные размеры и соотношение длин узлов, возможно варьировать мощность двигателя только за счет изменения длины двигателя, что не требует существенных изменений технологического процесса. Таким образом можно выпускать серии двигателей, примеры которых приведены в нижеследующей таблице:

Расчетные данные серий роторных двигателей непрерывного горения типа РДК.

Общие параметры:

Р,,9атм; р; 15,3 атм; ,5; ,05атм; „

Т; ЗООК; Т 4В5К; т-.тгоок; К:/

Общие функциональные размеры серии (показатели политропы: Пс 1,3; Пр 1,2): РДК-5РДК-7,5РДК-10РДК-15

,5; Обозначения в таблице:

be, bp - длины роторов, Vr - объем камеры горения, М - футящий момент на выходном валу, N - выходная мощность, m - масса смеси, тг- масса горючего.

Claims (1)

1. Роторный двигатель, содержащий корпус с цилиндрической полостью, установленный в полости ротор с осью вращения, параллельной образующей цилиндрической полости, образующий со стенками полости камеру сжатия и камеру расширения, первый канал для впуска в камеру сжатия и второй канал для выпуска из камеры расширения рабочего тела, выполненные в теле корпуса, камеру сгорания, отличающийся тем, что полость в поперечном сечении образована двумя одинакового радиуса полуокружностями с разнесенными вдоль общего диаметра центрами, ротор установлен с возможностью скольжения по дуге стенки полости в линии касания ротора со стенкой полости, камера сжатия и камера расширения расположены последовательно вдоль оси ротора и отделены друг от друга радиальной перегородкой, разделяющей полость на два объема, а поверхность ротора - на две части, каждая из которых снабжена расположенными под углом 120^o друг к другу радиальными лопастями, выполненными подпружиненными с возможностью перемещения в радиальном направлении и касания стенки полости корпуса, при этом в теле корпуса вдоль цилиндрической полости в области скольжения ротора выполнен третий канал, разделенный, как и полость, радиально установленной перегородкой, выполненной перфорированной, и участок третьего канала вдоль камеры сжатия образует демпферную камеру, участок вдоль камеры расширения - камеру сгорания, сообщающиеся продольными щелями с камерой сжатия и камерой расширения соответственно, а первый и второй каналы для впуска в камеру сжатия и выпуска из камеры расширения рабочего тела сообщаются каждый со своей камерой посредством серпообразных щелей, расположенных по дугам, образующих полости длиной до 120^o, отмеряемых от линии касания ротора со стенкой полости.