ГАЗОРОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК F02C5/04 

Газороторный двигатель (ГРД) относится к области техники (кл. F 02 C 5), в которой используется энергия расширяющегося в процессе прерывистого сгорания газообразного топлива и преобразование ее в непрерывное вращательное движение рабочего колеса, далее ротора, расположенного на оси с опорами.

Из литературы известны технические средства этого назначения (аналоги) - газотурбинные и роторно-поршневые двигатели, в частности двигатель Ванкеля.

Однако по совокупности существенных признаков наиболее близко к предлагаемому расположено устройство согласно патента США N 3899874, М. кл. F 02 C 5/04, 1975, которое, как и предлагаемое, содержит неподвижный корпус и вращающийся на двух опорах ротор, размещенный в этом корпусе. При этом на наружной цилиндрической поверхности ротора равномерно расположены профилированные рабочие полости, прикрываемые с минимальным гарантированным зазором цилиндрической поверхностью корпуса. Данное устройство принимается в качестве прототипа.

Основным недостатком прототипа является наличие радиальной составляющей усилия, возникающего в результате сгорания газов. Она направлена к оси ротора и пропорциональна полной мощности двигателя, т.е. может быть весьма значительна и способна свести до минимума ресурс работы подшипников оси ротора, причем в отдельных случаях этот минимум может быть практически неприемлемым. Кроме того, для получения максимального эффекта от взаимодействия расширяющихся продуктов сгорания с поверхностью, воспринимающей эти усилия, необходимо, чтобы поток вектора скорости расширения газообразных продуктов сгорания был бы нормален к этой поверхности.

Для достижения технического результата, исключающего вышеуказанные недостатки прототипа, предлагается устройство (фиг. 1), которое характеризуется наличием ротора, имеющего форму диска 1 на двух опорах, венец 2 которого выполнен из материала диска или другого материала, например жаропрочной керамики. Венец содержит равномерно расположенные по периметру наружной цилиндрической поверхности глухие рабочие полости (углубления) 3 специальной формы (фиг. 2) с раскрытием в сторону наружной цилиндрической поверхности венца ротора.

В плоскости ротора диаметрально противоположно относительно друг друга находятся расположенные в неподвижном корпусе (последний условно на фиг. 1 не показан) камеры сгорания 4 газообразного топлива, общее количество которых определяется необходимой мощностью двигателя. Ось выходного рабочего канала 5 камер сгорания расположена с наклоном к наружной цилиндрической поверхности ротора, причем величина угла наклона оси определяется нормалью к поверхности рабочей полости, которая в определенном положении ротора воспринимает усилие в направлении вращения.

Нижняя часть камер сгорания, содержащая выходное отверстие рабочего канала 5 и находящаяся в непосредственном контакте с ротором через минимальный гарантированный зазор, имеет форму, показанную на фиг. 3. Камеры сгорания могут быть выполнены полностью или частично (в особенности нижняя часть) в композиции с металлокерамикой или жаропрочной керамикой, обладающей малым коэффициентом объемного расширения, что позволяет выполнить зазор между облегающей ротор нижней поверхностью камер и ротором достаточно малым, повысив тем самым общий КПД двигателя.

В верхней части камер сгорания 4 имеются патрубки для ввода рабочей смеси (газообразного топлива) и устройства для ее воспламенения (на фиг. 1 условно не показаны).

Описанная выше совокупность конструктивных элементов позволяет использовать энергию расширяющихся в камерах сгорания продуктов сгорания рабочей газовой смеси для получения вращательного движения ротора, причем воспламенение рабочей смеси производится одновременно во всех камерах сгорания в определенном положении ротора относительно выходных отверстий камер сгорания в тот момент, когда совокупность объемов камеры, рабочего канала и полости в роторе образуют единый объем. При повороте ротора под давлением расширяющихся продуктов сгорания рабочей смеси профилированные полости ротора выходят из перекрытия нижней части камер сгорания, завершая тем самым рабочий цикл выпуском продуктов сгорания в атмосферу (картер двигателя). Далее цикл повторяется.

На фиг. 1 показан общий вид предлагаемого устройства; на фиг. 2 форма рабочей полости в роторе; на фиг. 3 форма нижней части камеры сгорания; на фиг. 4 схема силовых взаимодействий в устройстве.

На фиг. 4 показан схематический процесс получения механической работы в результате силовых взаимодействий продуктов сгорания газообразного топлива с ротором предлагаемого устройства. Как видно из фиг. 3, рабочие полости в роторе выполнены так, что в определенном положении ротора относительно нижней части камеры сгорания рабочая полость является как бы продолжением выходной части камеры, образуя единый с нею объем. При подаче в такую составную камеру компонентов рабочей смеси (как правило, при давлении, превышающем атмосферное) и при последующем ее воспламенении возникает повышенное давление, которое определяется по формуле:

где Т температура продуктов сгорания топлива, ⁰K,
коэффициент, характеризующий скорость возрастания давления при воспламенении рабочей смеси при постоянном объеме составной камеры сгорания.

Вектор силы вычисленного по вышеуказанной формуле рабочего давления в составной камере сгорания имеет направление, нормальное ко всем поверхностям, которые образуют стенки камеры, в том числе и к поверхностям, образующим рабочую полость в роторе. Из распределения векторов силы давления на фиг. 4 видно, что часть векторов направлена к оси ротора и уравновешивается со стороны диаметрально расположенной камеры сгорания, что и вызывает необходимость в обязательно четном числе камер сгорания.

Другая часть векторов направлена по касательной к оси вращения ротора и является неуравновешенной, вызывая тем самым момент равнодействующей силы F (фиг. 4), приложенный к ротору в тчк. 0 относительно оси вращения ротора.

Данная схема (фиг. 4) поля силовых взаимодействий является статической, т.е. она характеризует момент от начала воспламенения рабочей смеси до начала трогания ротора под действием равнодействующей этих сил. При трогании ротора с места начинается второй этап (динамический) расширения продуктов сгорания рабочей смеси, характеризующийся тем, что поток вектора скорости расширения получает преимущественное направление, определяемое наличием степени свободы перемещения потока в направлении действия равнодействующей сил, задаваемое конфигурацией самой камеры сгорания, что реализуется наклоном оси выходного рабочего канала к цилиндрической поверхности венца ротора.

Известное из физики выражение:

где N мощность потока расширяющихся продуктов сгорания, Вт;
вектор силы давления, Н;
вектор скорости расширения продуктов сгорания, М/С имеет максимум, при прочих равных условиях, если направление этих векторов совпадает. Как видно из фиг. 3 и фиг. 4, направление равнодействующей F векторов сил, приложенных к точке 0, и направление оси выходного рабочего канала 5 близки друг другу.

Рабочее перемещение ротора в пределах угла перекрытия 6 (т.е. перемещение под действием равнодействующей F и определяемое от точки воспламенения смеси до точки выхода передней кромки рабочей полости ротора из перекрытия ее выступом задней нижней части камеры сгорания (до момента выпуска продуктов сгорания в атмосферу картер двигателя) равно l_p. Таким образом, механическая работа одной пары камер сгорания будет равна:
A_пары 2•F•l_p [Дж]
где F равнодействующая сил, Н;
l_p величина рабочего перемещения, м.

Соответственно, механическая работа на один оборот ротора будет зависеть от количества рабочих полостей ротора и от количества пар камер сгорания, находящихся одновременно в работе:
А_об К•n•A_пары [Дж]
где К количество пар камеры сгорания, находящихся одновременно в работе;
n количество рабочих полостей по периметру ротора.

Частота подачи импульсов воспламенения рабочей смеси определяет частоту вращения ротора и мощность двигателя в целом.

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: газороторный двигатель содержит ротор, имеющий форму диска, венец которого выполнен из материала диска или жаропрочной керамики. Венец содержит глухие рабочие полости (углубления), равномерно расположенные по наружной цилиндрической поверхности. Камеры сгорания расположены в корпусе диаметрально противоположно вокруг ротора в одной с ним плоскости. Оси выходных рабочих каналов камер сгорания расположены с наклоном к наружной цилиндрической поверхности ротора. 4 ил.

Газороторный двигатель, содержащий неподвижный корпус с камерами сгорания и вращающийся ротор, размещенный в корпусе на двух опорах и имеющий форму диска, венец которого выполнен из материала диска или жаропрочной керамики, при этом на наружной цилиндрической поверхности венца равномерно расположены профилированные рабочие полости с минимальным гарантированным зазором, прикрываемые внутренней цилиндрической поверхностью корпуса, отличающийся тем, что камеры сгорания расположены диаметрально противоположно вокруг ротора в одной с ним плоскости и снабжены выходным рабочим каналом, ось которого расположена с наклоном к наружной цилиндрической поверхности ротора, а минимальный гарантированный зазор обеспечивается в пределах той части корпуса, которая содержит камеры сгорания.