Изобретение относится к двигателестроению, а именно к роторно-поршневым реактивным двигателям ВС для стационарных и подвижных средств повышенной мощности.
Известен широко применяющийся в технике двигатель ВС с коленчатым валом, расположенным в картере, одним и более, блоком цилиндров, содержащий поршни, соединенные шатунами с шейками кривошипов вала, при работе совершающими возвратно-поступательное движение, производя один такт работы, используя только одну силу давления газов и три хода подготовительных тактов, за два оборота вала, а процесс превращения топливо-воздушной смеси в тепловую энергию не устраняет образующиеся при горении вредные компоненты отработавших газов.
Такие двигатели ВС имеют малое плечо приложения силы, равное половине хода поршня, к тому же меняющееся по величине от нуля до максимума и вновь до нуля и большие затраты сил на перемещение поршня и вращение всех частей и деталей, обеспечивающих работу в течение трех ходов поршня 1,5 оборотов вала.
Как следствие низкий КПД и вывод большого количества вредных веществ в отработавших газах.
Известен роторно-поршневой двигатель ВС с осями цилиндров, расположенными параллельно оси коренного вала, содержащий размещенный в корпусе блок цилиндров, жестко закрепленный на валу, поршни связанные шатунами с кривошипным диском, установленным на опоре с аксиальным упорным подшипником и систему подачи масла к подшипнику источником давления. Этот двигатель ВС имеет недостаточно высокий КПД. (Патент. СССР N 689624, кл. F 02 В 75/26, 1979).
Создание двигателя ВС с прямым главным валом, имеющего высокий КПД, значительно превышающий достигнутый, с выводом экологически чистых отработавших газов, в предлагаемом изображении достигается соединением некоторых элементов устройства и работы двигателя ВС и 2-х контурного ТРД в одном, конструктивно отличающемся от известных устройстве, размещенном в цилиндрическом корпусе, содержащем
один силовой подшипниковый узел, развернутой формы, три кулачка-привода плунжера секций высокого давления подачи топлива и клапанов; ось, смещенную относительно оси вращения главного вала и входные и выходные окна для воздуха и отработавших газов;
турбинное колесо со ступицей и лопаточным кольцом;
ротор с прямым главным валом, находящимся внутри ступицы, а вместе в силовом подшипниковом узле, связанные между собою шестернями, образующими редуктор и цилиндрами, с осями перпендикулярными оси главного вала, с головками снабженными реактивным соплом, клапанами впуска и выпуска, форсункой и свечой зажигания;
шатунно-поршневой механизм (ШПМ) установленный на смещенной оси, связанные с ротором шестернями синхронизации, которые готовят топливо-воздушную смесь, превращают ее в тепловую энергию и преобразуют в две движущиеся силы: реактивную силу и силу давления струи газов, приводящие в движение вращения ротор и турбинное колесо в противоположные направления, объединяемые в редукторе и выдаваемые суммарно одной с главного вала;
применение воздушной системы отвода от нагревающихся частей, лишнего тепла, с прохождением потоков нагнетаемого воздуха, через образованные частями двигателя, внутренней области, специальные проходные окна, каналы и зазоры с одновременным участием его в процессах работы и автоматическом трехразовом смешивании горящих газов с ним, совершая при этом самовыжигание вредных компонентов и ступенчатое рассеивание звуковых волн.
Это позволило создать:
относительное перемещение поршня в цилиндре;
привод неподвижными кулачками развернутой формы, плунжера секции высокого давления и клапанов;
простой трехтактный цикл работы двигателя, совершающийся за один оборот ротора и ШПМ;
передачу полученной реактивной силы вращаемому ей ротору и силы давления струи газов вращаемому ей турбинному колесу, в максимально удаленных от оси вращения местах;
редуктор, объединяющий полученные силы вращения двух основных частей, вращающихся в противоположных направлениях: в одну суммарную снимаемую с главного вала;
устройство, в котором потоки нагнетаемого воздуха, проходя внутри него одновременно участвуют в подготовительных процессах, процессе работы с образованием движущих сил, отводе лишнего тепла, выжигании вредных компонентов отработавших газов и рассеивании звуковых волн, образующихся при каждом выходе сжатых газов из реактивного сопла, подобно "выстрелу" и попутно в нагреве чистого воздуха.
И как следствие получить:
1. Высокий показатель крутящего момента за счет:
а) получения двух движущих сил: реактивной силы и силы давления струи газов, объединяемых суммарно в одну;
б) образования большой постоянной величины плеча приложения этих сил, превышающего ход поршня в 2,5 3,0 раза;
в) компенсации большей части затрат сил на вращение лопаток нагнетателя воздуха: значительным уменьшением затрат сил на сжатие смеси в цилиндре, вывод отработавших газов из него и на привод в работу источников подачи топлива и открытия клапанов; использованием сил инерции и центробежных сил при перемещении и повышении напора воздуха, наполняемости цилиндров, отводе тепла, перемещении топлива и масел по трубопроводам и каналам.
2. Экологически чистые отработавшие газы, пригодные для подогрева и до 25% воздуха, участвовавшего в отводе тепла, нагретым до заданной температуры, чистым.
3. Относительно несложную конструкцию двигателя без коленчатого вала, глушителя, маховика и других нежелаемых частей, с высоким КПД.
На фиг. 1 показан главный вид двигателя с лицевой стороны; на фиг. 2 - разрез А-А, на фиг. 1; на фиг.3 вид сзади, части задней стенки корпуса; на фиг. 4 схематический вид расположения и формы силовых лопаток коробчатого лопаточного кольца с внешней стороны; на фиг. 5 вид сзади, части несущего диска и лопаточного кольца турбинного колеса; на фиг. 6 схематический развернутый вид сверху на фиг. 1 ротора в области головки цилиндра; на фиг. 7 лицевой вид крышки ротора, со снятой внешней стенкой, в двухстенной части. М 1: 2; на фиг. 8 механизм синхронизации: а вид по В-В на фиг. 2: в - фасонный кронштейн; на фиг. 9 схема движения т потоков воздуха по внутренним областям двигателя; на фиг. 10 неполные схемы каналов и трубопроводов подачи топлива к форсункам и масла к клапанам: а вид в плане, в вид сбоку. М 1:2.
Двигатель, с осями цилиндров перпендикулярными оси главного вала, содержит: корпус 1, турбинное колесо 2, ротор 3, шатунно-поршневой механизм 4 и редуктор 5.
Корпус 1 образован центральной цилиндрической частью 6: задней стенкой 7 и передней стенкой-крышкой 8.
Центральная часть 6 имеет установленные с внутренней стороны кулачок 9 привода плунжера секции 10 высокого давления подачи топлива, кулачок 11 открытия выпускного клапана 12, планку-кулачок 13 открытия впускного клапана 14; с внешней стороны ребра охлаждения 15, устройства 16, регулировки кулачков 9, 11, 13 и управления режимом работы через кулачок 9.
Задняя стенка 7 с чашеобразным выступом в центральной области и окном в центре, силового подшипникового узла 17 и тремя рядами выходных окон 18, закрываемых, два внешние ряда жаровой трубой 19, а внутренний ряд и жаровую трубу 19 вместе кожухом 20.
Передняя стенка-крышка 8, образует в себе кольцевой желоб 21 с входными окнами 22, эксплуатационные люки 23, и имеет вал 24 с шестерней привода агрегатов, обращенную вовнутрь корпуса 1, ось 25, смещенную относительно оси главного вала на 1/2 хода поршня, токоподводящую шину 26 со штырем и уплотнительное кольцо 27.
Внутри корпуса размещены
турбинное колесо (ТК) 2, образованное несущим диском 28 с чашеобразным выступом и ступицей 29 в центре и двумя рядами проходных окон 30 с лопатками ускорения 31 и коробчатым лопаточным кольцом 32, с сплошным пазом 33 прохода воздуха и сжатых газов. Внутри кольца 32 находятся установленные под углом 90 130oC к плоскости вращения диска 28 и под углом 10 30oC к линии перпендикуляра оси вращения ступицы 29, рабочие лопатки 34 с сферическим углублением, создающие между собой камеры 35, каждая с окном 36 выхода отработавших газов. На свободной поверхности ступицы 29, выступающей за пределы задней стенки 7, установлена шестерня 37;
ротор 3, находящийся внутри ТК 2, включающий несущий диск 38 с двумя рядами проходных окон 30 и прямым главным валом 39 в центре чашеобразного выступа, с шестерней синхронизации 40, размещенным внутри ступицы 29, а вместе в силовом подшипниковом узле 17; большое кольцо 41 и малое кольцо 42, закрепленные на несущем диске 38 с противоположной стороны валу 39 и крышку 43, закрывающую пространство между кольцами 41 и 42 с лицевой стороны с выступающей во внутреннюю область за малое кольцо 42, частью 43а, прилегающей внешней стороной к уплотнительному кольцу 27 и несущую в себе лопатки 44 нагнетания воздуха, а в двухстенной внешней части кривые перегородки 45, образующие секции 46 разделения и сжатия поступающего потока воздуха.
Между кольцами 41 и 42 симметрично расположены два и более цилиндра 47 с головками 48, снабженными камерой сгорания 49, впускным и выпускным клапанами 14 и 12, форсункой 50, свечей зажигания 51, аварийным клапаном 52 и реактивным соплом 53; с наружной стороны ребрами 54 охлаждения и рожком 55 захвата воздуха.
На внешней стороне большого кольца 41, находятся токосъемное устройство 56, дополнительные нагнетательные лопатки 57, отражательный козырек 58 и для каждого реактивного сопла 53 закрытый кривой крышкой, канал 59 подвода воздуха в зазор образованный оболочкой 60 реактивного сопла 53 и самим реактивным соплом 53, являющийся вторым контуром движения воздуха; нажимные рычаги 61 р клапанов 14 и 12 и их закрытые части, выступающие за пределы кольца 41, и секции 10.
Между большим кольцом 41 и торцевой стенкой коробчатого лопаточного кольца 32 для прохода воздуха к отражательному козырьку 58 и далее в сплошной паз 33 имеется зазор необходимой величины. На выступающей за пределы ступицы 29 поверхности главного вала 39 установлена шестерня 62 и шатунно-поршневой механизм 4, установленный на оси 25, который включает соединенные шатунами 63, находящиеся внутри цилиндров 47 поршни 64, блок 65 шестерен 40 синхронизации и 66 привода вала 24 и ушков 67, фасонный кронштейн 68, посаженный на свободном конце оси 25 и опирающийся на шейку главного вала 39 и синхронизирующие шестерни 70, аналогичные шестерням синхронизации 40, установленные на малых осях 69 кронштейна 68.
Редуктор 5, образованный шестернями 37 ступицы 29 и 62 главного вала 39, находящимися в постоянном зацеплении между собой с помощью промежуточных блоков 71 малых шестерен, заключенных в корпус, являющийся продолжением чашеобразного выступа задней стенки 7, корпуса 1, имеющий вторую подшипниковую опору 72 главного вала 39.
Все шестерни редуктора 5 сменные, с различным количеством зубьев, дающие возможность задавать обороты ТК 2 отличные или равные оборотам ротора 3.
Части двигателя 7, 8, 28 и 38 имеют расположенные веерообразно ребра 73 жесткости, а на стороне, обращенной к задней стенке 7, несущего диска 28 они выполнены так, что выступающие средние кромки их при работе выполняют роль крыльчатки, отбрасывая воздух от центра к периферии, создавая тягу-подпор воздушной струи, а кромки окон 22, 30, 18 и 36 имеют скосы, небольшие загибы и заострения, способствующие лучшему проходу воздуха, обтеканию их, а также уменьшению шума.
Окна 22, 30, 36 и 18, нагнетательные лопатки 44, лопатки 31 ускорения движения воздуха, установленные в окнах 30 несущего диска 28 имеют форму, размеры и углы установки в зависимости от заданных параметров и условий работы двигателя, такие чтобы отвечали требованиям и создавали благоприятные условия для работы.
Своим устройством ТК 2, ротор 3 и ШПМ 4 при размещении внутри корпуса 1 образуют четыре относительно разделенные между собою области
область "а" пространство между крышками 8 и 43 и охватывающее ротор 3 с внешней стороны;
область "б" пространство внутри двухстенной части крышки 43, разделенное перегородками 45, переходящее на изломе в каналы 59;
область "в" внутренняя область ротора 3, заключенная между кольцами 41 и 42, несущим диском 38 и крышкой 43, по которым, с участием проходных окон 30 обоих рядов ротора 3 и ТК 2, проходят потоки воздуха нагнетаемого лопатками 44, выполненными так, что их изгибы, лотки и грани направляют потоки в области "а" и "б" с отклонением от оси вращения на 90 80oC, во внешнюю большую часть области "в" на 45 40oC и в меньшую внутреннюю часть области "в" без отклонений, под напором, обеспечивающим работу, отвода тепла и нераспространение пламени в обратном направлении;
область "г" центральная часть, внутри малого кольца 42, ограниченная чашей выпуклости несущего диска 38, центральной частью передней стенки - крышки 7 и внутренней частью 43а крышки 43 это область масляного тумана и двух резервуаров масла.
Система отвода лишнего тепла от частей, расположенных внутри корпуса 1, включает регулировочное устройство, при необходимости, источник очистки воздуха или защитное устройство, входные окна 22, во внешней части кольцевого желоба 21, лопатки 44 нагнетания воздуха, дополнительные лопатки 57, лопатки ускорения 31, два ряда проходных окон 30 несущих дисков 28 и 38, выходные окна 36 коробчатого лопаточного кольца 32 три ряда выходных окон 18, задней стенки 7 корпуса 1 и пространство внутри кожуха 20.
Отвод лишнего тепла от интенсивно нагревающихся рабочих лопаток 34, стенок коробчатого лопаточного кольца 32 и реактивных сопел 53 осуществляется постоянно движущимися под напором потоками воздуха по областям "а" и "б" в периоды между тактами работы, а от центральной кольцевой части 6 корпуса 1 через ребра охлаждения 15. Проходные окна внутреннего ряда, несущего диска 28 при необходимости могут находиться в стенке чашеобразного выступа, ближе к силовому подшипниковому узлу 17.
Подача топлива производится под давлением от источника давления с использованием центробежных сил, через переходное устройство, канал или трубопровод, проходящий через главный вал 39, стенку чашеобразного выступа и ребро 73 жесткости несущего диска 38 и кольца 41 и далее к секциям 10 высокого давления и форсункам 50.
Смазка трущихся частей и деталей, с одновременным отводом тепла, - смешанная; разбрызгиванием, за счет центробежных сил и сил инерции и принудительно под давлением от источников очистки и давления, при необходимости с прохождением через устройство охлаждения, по специальным каналам, сверлениям и трубопроводам, а также путем нанесения неразбрызгиваемого слоя смазки при движении специальным устройством.
Для сбора и размещения смазочных материалов в двигателе имеется три резервуара, два в области "г", внутри малого кольца 42 при вертикальной установке и внутри чаши выпуклости несущего диска 38 при горизонтальной установке, и третий внутри корпуса редуктора 5.
Воспламенение смеси в камере сгорания производится искрой от свечи зажигания 51, током высокого напряжения, поступающего по проводам через шину 26 и токосъемное устройство 56.
Величина смещения оси 25 относительно оси вращения главного вала, определяющая величину хода поршня, ограничена двумя величинами: минимальное смещение минимально возможным размером шестерен синхронизации 40, главного вала 39 и блока 65, максимальное смещение максимально возможным диаметром ротора 3.
Основное положение двигателя при эксплуатации горизонтальное, когда ось вращения главного вала 39 находится в вертикальном положении, при описании работы применено вертикальное положение на боку.
Полный цикл работы совершается за один оборот ротора 3 и ШПМ 4, состоящий из трех тактов: впуска-всасывания, сжатия и работы. Вывод газов из камеры сгорания 49 происходит во время такта работы, и вслед за ним, когда оба клапана 12 и 14 открыты одновременно.
Исходная точка-положение поршня 64 крайняя верхняя внешняя точка ВТ в цилиндре 47 равна нулю градусов окружности. Выпускной клапан открыт, момент окончания такта работы. При повороте ротора 3 синхронно поворачивается и ШПМ 4, происходит относительное перемещение поршня 64 в цилиндре 47 от ВТ, и после поворота на 5 15o планкой-кулачком 13, через нажимной рычаг 61 открывается впускной клапан 14, из области "в" через рожок 55 поступает под напором движущийся навстречу воздух.
При заданном угле поворота ротора 3, когда пройден кулачок 11, выпускной клапан 12 закроется, происходит всасывание воздуха в цилиндр 47 и одновременное смешивание его с остатками отработавших газов до момента поворота 3 на 180 195o, когда планка-кулачок 13 будет пройдена, поршень 64 займет-минует внутреннюю нижнюю точку НТ, в цилиндре 47, а впускной клапан 14 закроется. Начинается такт сжатия с продолжением смешивания остатков отработавших газов с воздухом.
Перед приходом поршня 64 к ВТ, с опережением на расчетный угол плунжер секции 10, кулачком 9 переместится на заданную величину и посылает под высоким давлением, через форсунку 50 в камеру сгорания 49 топливо, которое приобретя туманообразное состояние и смешавшись с сжатой смесью образует горючую смесь. В этот момент также с опережением, смесь поджигается искрой образованной свечей 51. Вслед за воспламенением, вновь с опережением, кулачок 11, через нажимной рычаг 61 открывает выпускной клапан 12, это совпадает с моментом наибольшего давления газов реактивного сопла 53, где на выходе смешиваясь с воздухом второго контура увеличивают силу горения, увеличивают свою массу, а поршень 64, при этом продолжая движение к ВТ, компенсировал некоторую часть падения давления в камере сгорания 49, образуя реактивную силу передающуюся ротору 3. Упругая струя газов миновав паз 33 и достигнув сферического углубления, одной и более, рабочей лопатки 34 сильным толчком отдает свою энергию давления передающуюся ТК 2, тоже вращающемуся с заданным соотношением, но в противоположном направлении.
Одновременно, горящие газы в камере 35 смешиваются с постоянно поступающим через паз 33, после отражения от козырька 58, воздухом оживляя горение устремляются через окна 36 и окна 18 в жаровую трубу 19, где третий раз смешиваются с тоже постоянно поступающим через средний ряд окон 18 воздухом, вновь оживляя горение, автоматически выжигают вредные компоненты отработавших газов, при каждом смешивании частями, рассеивая создавшиеся "выстрелами" звуковые волны.
Силы, образованные тактами работы подобно "выстрелам" чередующимися один за другим, при 4-х цилиндрах через 90o, расходятся в противоположные направления "вейером", передающиеся через части ротора 3 и ТК 2, находящиеся на удалении от оси вращения главного вала 39, превышающем ход поршня в 2,5 - 3,0 раза, объединяются в редукторе 5 с помощью шестерен 37, 62 и блоков 71, суммарно одной выдаются с главного вала 39, одновременно выдавая на выходе экологически чистые отработавшие газы и до 25% воздуха участвовавшего в отводе тепла, нагретым до заданной температуры чистым.
Режим работы двигателя задается количеством топлива, впрыскиваемого в сжатую смесь форсункой 50 в зависимости от величины хода плунжера секции 10 осуществляющимся выдвижением или утоплением кулачка 9 в своем гнезде, устройством 16.
При возникновении в камере сгорания 49 давления газов превышающего расчетное, при закрытых клапанах 12 и 14, срабатывает аварийный клапан 52, соединяя камеру сгорания 49 с каналом реактивного сопла 53.
Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: двигатель содержит расположенные внутри цилиндрического корпуса один силовой подшипниковый узел в задней стенке, кулачки привода плунжера секций высокого давления подачи топлива и клапанов; ось, смещенную на 1/2 хода поршня, относительно оси вращения главного вала, в передней стенке - крынке; турбинное колесо со ступицей в центре несущего диска и коробчатым лопаточным кольцом, имеющим входной сплошной паз, рабочие лопатки и выходные окна; ротор, образованный несущим диском с прямым главным валом, находящимся внутри ступицы, а вместе в силовом подшипниковом узле, связанные между собой шестернями образующими редуктор; большим и малым кольцами, между которыми расположено два и более цилиндра с головками, снабженными реактивным соплом со вторым контуром движения воздуха, клапанами впуска и выпуска, форсункой и свечой зажигания, и крышкой несущей в себе лопатки нагнетания воздуха, а в двухстенной внешней части - секции сжатия и подачи воздуха ко вторым контурам реактивных сопел; шатунно-поршневой механизм, включающий соединенные шатунами поршни с блоком шестерен и ушков, одетым на смещенную ось, связанный с ротором, шестернями синхронизации и синхронизирующими шестернями; образующие, разделенные между собой, четыре внутренние области по первым трем - "а", "б" и "в" - проходят потоки нагнетаемого воздуха, участвующие в процессах работы двигателя и отводе лишнего тепла; четвертая область "г" - это центральная область масляного тумана и масляных резервуаров. 8 з.п. ф-лы, 10 ил.
| Двигатель внутреннего сгорания | 1974 |
|
SU689624A3 |
| Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов | 1917 |
|
SU2A1 |
