РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ КАШЕВАРОВА "РДК-4" Российский патент 1997 года по МПК F02B53/08 F02B33/34 

Изобретение относится к энергомашиностроению и представляет собой комплексное устройство, состоящее из рабочей ступени роторного двигателя внутреннего сгорания (ДВС), конструктивно и функционально связанного с компрессионной ступенью роторным компрессором. При этом основные элементы конструкции (ДВС) и компрессоры одни и те же
РДК-4 может быть использован в моторостроительной и в турбиностроительной технике.

Известен роторный двигатель, содержащий компрессионную и рабочую ступени со статорами и установленными в них соответственно компрессионным и рабочим роторами, заслонки, расположенные с образованием в полостях между поверхностями статоров и роторов камер сжатия и расширения, и газовод, соединяющий статоры ступеней.

Однако этот двигатель имеет малую удельную мощность, обусловленную малым отношением литровой мощности к массе, а также малый КПД и малый срок службы, обусловленные большими потерями на трение между ротором, статором и заслонкой в компрессионной и рабочей ступенях при выполнении требований по допустимой утечке воздуха и газов в этих ступенях. К тому же данный ДВС не подлежит ремонту уже после кратковременной эксплуатации в результате выработки его трущихся поверхностей во время его работы.

Задача изобретения увеличение КПД и срока эксплуатации, снижение затрат на изготовление, ремонт и обслуживание, повышение удельной мощности, уменьшение токсичности.

Указанная задача достигается за счет того, что двигатель снабжен воздухосборником компрессионной ступени и трубой выхлопных газов рабочей ступени, сообщенными соответственно с камерами сжатия и камерами расширения посредством окон, прорезанных в статорах, патрубком подачи топлива к камере сжатия, шестернями, закрепленными на полуосях вращения роторов и находящимися в зацеплении друг с другом, клапаном, перекрывающим патрубок подачи топлива, один конец которого сообщен с топливным насосом, а на другом установлена форсунка, расположенная в газоводе, электродатчиком, установленным в камере расширения, дверцей, установленной в газоводе и перекрывающей окно, сообщающее камеру сжатия с газоводом, причем заслонки установлены в направляющих роторов. Кроме того, двигатель снабжен теплоизолирующим покрытием, выполненным на внутренней поверхности ротора и на наружной поверхности статора рабочей ступени, радиаторными ребрами, соединенными со статором компрессионной ступени, катками, одни из которых установлены на торцевых сторонах заслонок с возможностью перекатывания при вращении ротора по внутренней поверхности статора с сохранением минимального зазора между торцевой поверхностью заслонки и внутренней поверхностью статора, другие установлены на внутренних сторонах направляющих с возможностью перекатывания по ним заслонок с минимальным воздушным зазором между их поверхностью и поверхностью направляющих, пластинчатыми пружинами, один из которых соединены с торцевыми и боковыми краями заслонки и установлены с возможностью скольжения по поверхности статора с минимальным воздушным зазором, а другая размещена на статоре с возможностью скольжения по поверхности ротора с минимальным воздушным зазором, тонкостенными шайбами, закрепленными на статорах и установленными в щелевидных кольцевых камерах, выполненных в роторах. При этом компрессионная ступень снабжена вентилятором, лопасти которого являются спицами, соединяющими полуоси вращения с торцевыми стенками, а в торцевых стенках статора и ротора этой ступени выполнены отверстия, соединяющие внутренний объем ротора с атмосферным воздухом, проходящим через ротор под воздействием лопастей вентилятора. Для прохода воздуха во внутренних торцевых стенках роторов компрессионной и рабочей ступеней выполнены круговые отверстия, а внутренний объем ротора рабочей ступени выполнен герметичным.

Причем направляющие заслонок смежных камер установлены под углом друг к другу, равным 180^o, деленным на число камер сжатия компрессионной ступени или камер расширения рабочей ступени.

На фиг. 1 представлен общий вид РДК-4, вертикальное сечение А-А, на фиг. 2 сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 3 вариант выполнения газовода в увеличенном виде по сравнению с фиг. 1; на фиг. 4 узел М на фиг. 2 с увеличением в 5 раз по сравнению с фиг. 2; на фиг. 5 сечение В-В, Г-Г и Д-Д краев заслонки на фиг. 2 в увеличенном виде по сравнению с фиг. 2.

РДК-4 имеет статоры 1 и 2 и роторы 3 и 4 соответственно рабочей и компрессионной ступеней, газовод 5, соединяющий статоры 1 и 2, заслонку 6, установленную в направляющих 7 роторов 3 и 4, воздухозаборник 8, патрубок 9, подсоединенный к городской сети газопровода природного газа или к баллону со сжиженным газом (1-й вариант), выхлопную трубу 10.

Статор 1 имеет переднее окно 11, соединяющее его камеру сгорания 12 с газоводом 5, камеру расширения 13, заднее окно 14, соединяющее камеру расширения с выхлопной трубой 10. Камера сгорания 12 имеет условную границу с камерой расширения 13, определяемую положением заслонки 6 в момент воспламенения смеси между заслонкой 6 и газоводом 5. Воспламенение топливной смеси происходит с помощью электросвеч 15, которые включаются по электросигналу электродатчика 16 в момент контакта с ним катка 17 заслонки 6.

Топливо в виде сжиженного или природного газа поступает в камеру сжатия 18 компрессионной ступени вместе с воздухом через окно 19 при открытом клапане 20 патрубка 9. Клапан 20 открывается в момент положения катка 17 одного (назовем его первым) конца заслонки 6 компрессора против конечной стороны окна 19, соединяющего воздухозаборник 8 с камерой сжатия 18 компрессора. Клапан 20 закрывается в момент подхода второго конца заслонки 6 к концу патрубка 9. На фиг. 1 такое положение конца заслонки 6 обозначено пунктирной линией 21. Ось вращения клапана 20 имеет механическое или электрическое устройство (не показано), обеспечивающее вдвое меньшую угловую скорость вращения клапана 20 по сравнению с угловой скоростью вращения ротора 4. В результате такой работы клапана 20 камера сжатия 15 между концами заслонки 6 поочередно заполняется воздухом с горючим газом (т.е. топливной смесью) и без горючего газа. Соответственно и в камеру сгорания 12 поочередно поступают порции топливной смеси под один конец заслонки 6 и сжатого воздуха (без горючего газа) под другой конец заслонки 6. В первом случае происходят воспламенение топливной смеси и полноценный рабочий ход конца заслонки 6 с разогревом поверхности статора 1 и ротора 3, во втором случае сжатый воздух, поступивший в камеру сгорания 12, а затем и в камеру 13 разогревается от стенок камер, охлаждая их и создает повышенное давление на конец заслонки 6, которая и в этом случае совершает рабочий ход, но с меньшей мощностью, чем в первом случае. Целесообразность такого способа работы ДВС заключается в том, что сжатый воздух, охлаждая камеры 12 и 13, использует полученную тепловую энергию для выработки механической энергии вращения ротора 3. Кроме того, в камере сжатия 18 компрессора порции топливной смеси чередуются с порциями воздуха между концами заслонки 6, что обеспечивает безопасность от распространения воспламенения топливной смеси в камере 12 на топливную смесь, находящуюся в камере сжатия 18 за порцией воздуха без горючего газа.

Статор 1 имеет наружное теплоизолирующее покрытие 22, изображенное крестообразной штриховкой. Такое же покрытие 22 имеют внутренняя поверхность ротора 3, выхлопная труба 14 и газовод 5. Статор 2 имеет радиаторные ребра 23, увеличивающие его поверхность охлаждения наружным воздухом. Ротор 4 охлаждается продувкой через него наружного воздуха.

Статор 1 по касательной к окружности ротора 3 соприкасается с ротором 3 с воздушным зазором менее 0,1 мм (на выноске "Л" фиг. 1 место соприкосновения статора 1 и ротора 3 изображено увеличенным в 4 раза по сравнению с фиг. 1). К статору 1 по образующей его цилиндрической поверхности подсоединена (приварена) тонкостенная пластинчатая пружина 24, прижимающаяся к цилиндрической поверхности ротора 3 и препятствующая проходу сжатого воздуха и газов из камеры сгорания 12 к выхлопной трубе 10. Аналогичное устройство имеет статор 2 с ротором 4 в месте их соприкосновения с зазором менее 0,1 мм с целью уменьшения утечки сжатого воздуха из камеры сжатия в воздухозаборник 8. Во время вращения ротора пружина 24 прижимается к его поверхности не только усилием пружины 24, но также давлением на ее поверхность сжатого воздуха, а затем и газов сгоревшей топливной смеси. В результате этого утечка газов и сжатого воздуха из камеры сгорания 12 в выхлопную трубу 10 через зазор между статором 1 и ротором 3 практически устранена. Пружина 24 устанавливается с расчетом прохода катков 17 по своим дорожкам на минимальном расстоянии от торцов пружины 24.

На статоре 2 компрессора установлена ось вращения 25 с дверцей 26, перекрывающей окно 27, соединяющее камеру сжатия 18 с газоводом 5. Ось вращения 25 имеет пружину (не показана), закрывающую дверцу 26, если давление на нее сжатого воздуха в камере сжатия 18 будет меньше заданного значения (например, 10 кг/см²).

К боковым и торцевым краям заслонки 6 рабочей ступени приварены (например, точечной сваркой) тонкие полоски 28 пружинистой стали шириной в 2-3 мм, препятствующие утечке газов из камеры сгорания в буферную камеру через зазоры между заслонкой 6 и поверхностью статора 1 во время рабочего хода заслонки 6. Полоски 28 прижимаются к поверхности статора 1 давлением газов, а также сравнительно малой силой изгиба пружинистой стали тонкой полоски 28. Однако суммарная сила, прижимая края полоски 28 к поверхности статора 1, составляет менее 0,1 кг/см² и не создает существенных потерь на трение в результате наличия воздушного микрослоя между краем полоски 28 и поверхностью статора 1 во время движения заслонки 6, по которому она скользит, как бы с воздушной смазкой. В момент прохода торцевого края заслонки 6 с пружинистой полоской 28 под пружиной 24, последняя отгибается в окно 11 давлением на нее полоски 28 и торцем заслонки 6.

В компрессоре полоска 28 при движении заслонки 6 отжимается от поверхности статора 2 утечкой воздуха, сжимаемого заслонкой 6. Учитывая это обстоятельство полоска 28 для заслонки 6 компрессора имеет большую силу прижима к поверхности статора 2, чем полоска 28 к поверхности статора 1.

Статоры 1 и 2 имеют тонкостенные шайбы 29, установленные в щелевидных кольцевых камерах 30 и препятствующие утечке сжатого воздуха и газов из одной смежной камеры 13 или 18 в другую смежную камеру 13 или 18, разделенные стенками 31 статоров.

Во втулках 32 торцевых стенок 33 статора 1 и 2 установлены полуоси 34 вращения роторов 3 и 4. На одной стороне полуосей 34 установлены шестерни 34 равного диаметра, находящиеся во взаимном зацеплении, в результате которого роторы 3 и 4 вращаются во взаимно противоположных направлениях с равными угловыми скоростями. На противоположной стороне полуосей 34 выполнены винтовые прорези, в которые заходят штифты рабочего вала 36 устройства, потребляющего энергию вращения ротора 3 двигателя.

Заслонки 6 перемещается в направляющих 7 с воздушным зазором менее 0,1 мм с помощью катков 38, установленных в торцевых стенках 39 роторов 4 и 3 и прокатывающихся по боковым обрезам заслонки 6.

Возможен вариант выполнения двигателя, когда для использования дизельного топлива, предлагается вместо клапана 20 на конце патрубка 9, идущего от топливного насоса к газоводу 5, установить форсунки 40, через которые дизельное топливо впрыскивается в камеру 12 под каждый конец заслонки 6 (фиг. 3). В этом варианте может использоваться керосин, бензин, а также природный газ, подаваемый из магистрального газопровода с давлением более 50 кг/см². В этом варианте топливо будет сгорать в виде факелов, поджигаемых электросвечами 15, в многократном избытке сжатого воздуха. Форсунки 40 и электросвечи 15 включаются в работу компьютером при касании электроконтакта 16 катком 17 заслонки 6.

Роторный двигатель РДК-4 работает следующим образом.

РДК-4 могут работать на газообразном и жидком топливе. В качестве газообразного топлива может использоваться природный, сжиженный, нефтяной и водяной газы, а также горючие газы, получаемые в металлургии как отходы производства (например, доменные газы). В качестве жидкого топлива может использоваться бензин, керосин и дизельное топливо. Бензин может использоваться путем подсоединения карбюратора автомобильного ДВС к патрубку 9 с клапаном 20. Керосин и дизельное топливо впрыскиваются в камеру 12 через форсунки 40, устанавливаемые в газоводе 5 вместо клапана 20 и соединенные с топливным насосом, заимствованным от дизельных двигателей. В зависимости от октанового числа топлива устанавливается степень сжатия воздуха и топливной смеси, создаваемой компрессорами.

При поступлении горючих газов в камеру 18 через клапан 20 в процессе их сжатия вместе с воздухом, поступившим через воздухозаборник 8, происходит их перемешивание с воздухом, в результате образуется однородная топливная смесь, которая заполняет камеру сгорания 12. Такая топливная смесь надежно воспламеняется электросвечами 15 и полностью сгорает в широком диапазоне соотношений масс топлива и воздуха.

В случае установок форсунок 40 в газоводе 5 (фиг. 3) может быть применен способ факельного горения топлива в многократном избытке сжатого воздуха. При этом в качестве топлива могут быть использованы все виды жидкого и газообразного топлива, подаваемого в форсунку 40 под давлением, превосходящим давление сжатого воздуха, поступающего в газовод 5. В частности может быть использован природный газ непосредственно от магистрального газопровода с давлением более 50 кг/см². Такой вариант применения РДК-4 целесообразен на ТЭС и заводах, использующих в качестве топлива природный газ, а также в транспортных устройствах, так как факельное сжигание топлива может дать наибольшую удельную мощность РДК-4 и возможность изменения его мощности путем изменения длительности горения факелов (длительность включения форсунок 40).

Пуск РДК-4 производят при отсоединенном (выключенным) рабочем валике 36 путем подсоединения вала статора к полуоси 34, на которой закреплена шестерня 35. При кратковременной остановке РДК-4 (на несколько минут) пуск РДК-4 производится компьютером включением в работу форсунок 40 (или клапана 20) и электросвеч 15. В этом случае в одной из камер 12 происходит воспламенение факелов топлива, выбрасываемого из форсунок 40, или воспламенение топливной смеси, ранее заполнившей камеру 12. В результате этого возникает давление газов сгоревшего топлива на один из концов заслонки 6 и, как следствие этого, вращение роторов 3 и 4, после чего через муфту сцепления к полуоси 34 подсоединяют рабочий вал 36.

Во время факельного горения топлива в расширяющейся камере сгорания при вращении заслонки 6 скорость увеличения давления будет значительно меньше, чем в поршневом ДВС во время воспламенения топливной смеси, в соответствии с этим сила звука работающего РДК-4 будет существенно меньше, чем сила звука работающего поршневого ДВС, что позволит использовать РДК-4 без глушителя и без потери мощности в этом глушителе.

В несколько раз больший избыток воздуха при сгорании топлива, расширяющаяся камера сгорания в момент воспламенения топлива, больший показатель расширения газов в камере расширения, меньшие потери на трение чем в цилиндре поршневого ДВС, в несколько раз уменьшают температуру выхлопных газов и тепловые потери и позволяют отказаться от специальных устройств охлаждения двигателя. Этому способствуют также более низкая температура сжатого воздуха, поступающего в камеру сгорания 12 от компрессора, и меньшие затраты механической энергии для сжатия равного количества воздуха до равного давления, необходимого для работы ДВС.

Кроме того, создание РДК-4 с двумя рабочими ходами заслонки 6 за один оборот ротора место одного рабочего хода за два оборота коленчатого вала, исключение из устройства РДК-4 кривошипно-шатунного механизма с коленчатым валом и маховиком, имеющихся в большинстве поршневых ДВС, позволили значительно увеличить удельную мощность РДК-4 и его КПД по сравнению с поршневыми ДВС.

Равномерность величины крутящего момента двигателя обеспечивается также тем, что направляющие заслонок установлены в смежных камерах под углом, равным 180^o, деленным на число камер расширения или камер сжатия. Кроме того, при работе заслонок рабочей ступени нет "мертвых точек", свойственных работе поршневого ДВС, в которых крутящий момент в начале рабочего хода поршня равен нулю, а затем меняется по закону P(1 - cosα) где P давление газов на поршень, α угол поворота коленчатого вала, отсчитанный от "мертвой точки".

Уменьшение скорости движения заслонки 6 в направляющих по сравнению со скоростью движения поршня в цилиндре ДВС, более равномерное воздействие давления продуктов воспламененного топлива на заслонку, чем на поршень ДВС, меньшее число движущихся деталей двигателя РДК-4, меньшие потери на трение движущихся частей РДК-4, меньшая максимальная температура в камере сгорания при воспламенении топлива в многократном избытке воздуха позволяют в 2-3 раза увеличить ресурс работы РДК-4 и в той же пропорции сократить расходы на его ремонт и установку.

Уменьшению температуры (максимальной) в камере сгорания во время воспламенения топливной смеси содействует также охлаждение сжимаемого в компрессоре воздуха за счет обдува поверхностей статора 2 с радиаторными ребрами 23 и ротора 4, через внутренний объем которого проходит наружный воздух, который поступает в отверстие торцевой стенки 33 статора 2 между тремя спицами, с помощью которых втулка 32 соединена с торцевой стенкой 33 компрессора. Продувка воздуха через ротор 4 производится с помощью трех лопастей вентилятора, установленных в торцевой стенке ротора 4 против отверстий статора 2 в его торцевой стенке 33. Лопасти вентилятора одновременно являются спицами, соединяющими полуось 34 вращения ротора 4 с его торцевой стенкой 38.

На противоположных торцевых стенках ротора 4 и статора 2 имеется также устройство для выхода нагретого воздуха из ротора 4. В стенке 39, разделяющей внутренние объемы роторов 3 и 4, имеется круговое отверстие 41, через которое может проходить воздух как в роторе 3, так и в роторе 4. Охлаждение воздуха поверхностями статора 2 и ротора 4 при его сжатии повышает КПД двигателя по сравнению с поршневым ДВС, в цилиндре которого воздух нагревается как от его сжатия поршнем, так и от раскаленных поверхностей поршня и цилиндра.

Нагрев воздуха во внутреннем объеме ротора 3 рабочей ступени уменьшает тепловые потери камеры 13 и создает давление нагретого воздуха на стенки ротора 3, частично компенсирующее давление газов в камере 13 на стенки герметичного ротора 3, что позволяет их сделать меньшей толщины.

Уменьшение мощности двигателя производится путем уменьшения длительности работы форсунок в 5-10 раз и скорости вращения ротора (т.е. частоты включения форсунок и свечей зажигания) еще в 10-20 раз. В результате этого мощность двигателя моет быть понижена в 50-200 раз по сравнению с номинальной удельной мощностью в 20-30 кВт/кг, что позволит существенно упростить коробку передач автомобиля с РДК-4. Минимальная длительность работы форсунок определяется при холостом ходе двигателя той минимальной затратой мощности, которая необходима для вращения ротора компрессора, электрогенератора и топливного насоса.

Возможность повышения мощности РДК-4, установленного на самолете вместо турбовинтовых двигателей (ТВД), позволит сократить длину взлетной полосы аэродрома.

РДК-4 предназначен для всех видов транспорта, включая наземный, воздушный, морской и речной, пассажирский и грузовой, туристический и спортивный, а также для всех стационарных установок, включая тепловые электростанции, промышленные, сельскохозяйственные и бытовые устройства.

Столь широкий спектр применения предлагаемого РДК-4 обусловлен его технико-экономическими характеристиками, превосходящими характеристики известных двигателей, применяемых в настоящее время.

Использование: в энергомашиностроении при проектировании роторных двигателей. Сущность изобретения: двигатель снабжен воздухосборником компрессионной ступени и трубой выхлопных газов рабочей ступени, сообщенными соответственно с камерами сжатия и камерами расширения посредством окон, прорезанных в статорах, патрубком подачи топлива к камере сжатия, шестернями, закрепленными на полуосях вращения роторов и находящимися в зацеплении друг с другом, клапаном, перекрывающим патрубок подачи топлива, один конец которого сообщен с топливным насосом, а на другом - установлена форсунка, расположенная в газоводе, электродатчиком, установленным в камере расширения, дверцей, установленной в газоводе и перекрывающей окно, сообщающее камеру сжатия с газоводом, причем заслонки установлены в направляющих роторов. Двигатель снабжен теплоизолирующим покрытием, выполненным на внутренней поверхности ротора и на наружной поверхности статора рабочей ступени, радиаторными ребрами, соединенными со статором компрессорной ступени, катками, одни из которых установлены на торцевых сторонах заслонок, другие - на внутренних сторонах направляющих. Причем компрессионная ступень снабжена вентилятором. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Роторный двигатель, содержащий компрессионную и рабочую ступени со статорами и установленными в них соответственно компрессионными и рабочим роторами, заслонки, расположенные с образованием в полостях между поверхностями статоров и роторов камер сжатия и расширения, и газовод, соединяющий статоры ступеней, отличающийся тем, что он снабжен воздухозаборником компрессионной ступени и трубой выхлопных газов рабочей ступени, сообщенными соответственно с камерами сжатия и камерами расширения посредством окон, прорезанных в статорах, патрубком подачи топлива к камере сжатия, шестернями, закрепленными на полуосях вращения роторов и находящимися в зацеплении друг с другом, клапаном, перекрывающим патрубок подачи топлива, один конец которого сообщен с топливным насосом, а на другом установлена форсунка, расположенная в газоводе, электродатчиком, установленным в камере расширения, дверцей, установленной в газоводе и перекрывающей окно, сообщающее камеру сжатия с газоводом, причем заслонки установлены в направляющих роторов. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен теплоизолирующим покрытием, выполненным на внутренней поверхности ротора и на наружной поверхности статора рабочей ступени радиаторными ребрами, соединенными со статором компрессионной ступени, катками, одни из которых установлены на торцевых сторонах заслонок с возможностью перекатывания при вращении ротора по внутренней поверхности статора с сохранением минимального зазора между торцевой поверхностью заслонки и внутренней поверхностью статора, другие - установлены на внутренних сторонах направляющих с возможностью перекатывания по ним заслонок с минимальным воздушным зазором между их поверхностью и поверхностями направляющих, пластинчатыми пружинами, одни из которых соединены с торцевыми и боковыми краями заслонки и установлены с возможностью скольжения по поверхности статора с минимальным воздушным зазором, а другая размещена на статоре с возможностью скольжения по поверхности ротора с минимальным воздушным зазором, тонкостенными шайбами, закрепленными на статорах и установленными в щелевидных кольцевых камерах, выполненных в роторах. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что компрессионная ступень снабжена вентилятором, лопасти которого являются спицами, соединяющими полуоси вращения с торцевыми стенками, при этом в торцевых стенках статора и ротора компрессионной ступени выполнены отверстия, соединяющие внутренний объем ротора с атмосферным воздухом, проходящим через ротор под воздействием лопастей вентилятора, для прохода воздуха во внутренних торцевых стенках роторов компрессионной и рабочей ступеней выполнены круговые отверстия, а внутренний объем ротора рабочей ступени выполнен герметичным. 4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что направляющие заслонок смежных камер установлены под углом друг к другу, равным 180^o, деленным на число камер сжатия компрессионной ступени или камер расширения рабочей ступени.