ГАЗОВИНТОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1999 года по МПК F02B53/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может использоваться на тепловых электростанциях для получения больших агрегатных мощностей, в двигателестроении для транспортных средств, таких как автомобили и летательные аппараты.

Известен прототип по авт.свид. СССР N 1776843, кл. F 02 C 1/10, публикация 1992 - газотурбинная установка замкнутого типа, содержащая на одном валу компрессор и турбину винтового типа, имеющие роторы с одинаковыми размерами, профилями и углами наклона витков, работающая на двухфазном рабочем теле. Одинаковые геометрические размеры роторов, профиля, углы наклона витков соответственных роторов винтовых компрессора и турбины, установленных на общих валах в противофазе, обеспечивают одинаковые, но противоположное изменение объема их парных полостей. Использование твердых частиц в двухфазном рабочем теле позволяет осуществить изотермические сжатие и расширение газа.

Недостатками прототипа - газотурбиной установки замкнутого типа являются
- одинаковость геометрических размеров роторов, профилей, углов наклона витков соответственных роторов винтовых компрессора и турбины, установленных на общих валах в противофазе, обеспечивающих одинаковое, но противоположное изменение объема их парных полостей, так как указанное приводит к неработоспособности и установки из-за нарушения одинаковости массового расхода газа через компрессор и турбину, поскольку температурный режим компрессора отличается от температурного режима турбины, что требует разной их объемной производительности;
- использование твердых частиц для уплотнения зазоров, поскольку эта проблема решается, например, увеличением числа оборотов роторов, что к тому же приводит к большим агрегатным мощностям, чем в прототипе;
- винтовые части роторов, состоящие обычно из 4 выпускных зубьев и 6 вогнутых зубьев /1/, имеют относительно небольшой объем впадин, что уменьшает производительность винтового устройства и ведет к ухудшению отношения описываемого объема к поверхности теплоотдачи, т.е. к большим тепловым потерям;
- сложность профиля резьбы исключает использование схемы винтовой машины с несколькими роторами с выпуклыми зубьями на один отсечной ротор с вогнутыми зубьями; это препятствует уменьшению габаритов винтовых машин;
- винтовой компрессор и турбина винтового типа имеют окна всасывания и нагнетания, что не позволяет иметь большие окружные скорости в винтовых машинах, так как это приводит к большим гидравлическим потерям на всасывании и нагнетании.

Указанные недостатки не позволяют использовать существующие в настоящее время винтовые машины в качестве расширителя газа с высоким КПД.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков путем создания газовинтового двигателя. Указанная задача достигается тем, что газовинтовой двигатель, содержащий компрессор, газовый теплообменник, камеры сгорания и расширитель газов, при этом компрессор и расширитель газов выполнены в виде винтовых машин, отличающийся тем, что газовый объем двигателя незамкнут, винтовые машины изготовлены на основе однозаходной резьбы переменного шага с несколькими роторами на один отсечной ротор, а винтовой расширитель газов снабжен винтовым поджимающим устройством.

Конструкция винтового компрессора, винтового расширителя газов и двигателя в целом приведены соответственно на фиг. 1, 2, 3.

Компрессор состоит из одного отсечного ротора 1 и нескольких роторов 2, находящихся в зацеплении с ним своими винтовыми частями 3. Для простоты рисунка выбрана схема компрессора из одного ротора 1 и одного ротора 2. Их винтовые части расположены в расточках корпуса 4. Зазор между винтами обеспечивается синхронизирующими шестернями /не показаны/. Резьба винтовых частей выполнена на основе однозаходной резьбы. Шаг резьбы - переменный, уменьшающийся в сторону камеры нагнетания. Благодаря зацеплению винтовых частей 3 роторов 1 и 2 имеются замкнутые полости между каждыми двумя витками ротора 2, ограниченные помимо них цилиндрической поверхностью расточки корпуса 4 и цилиндрической поверхностью ротора 1 в пределах этих двух витков. Эти полости обозначены A, B, C, D и имеют разные объемы из-за переменного шага. Геометрическая степень сжатия равна отношению замкнутых полостей A и D, т.е. объему замкнутой полости на всасывании к объему полости на нагнетании.

Работа винтового компрессора осуществляется следующим образом. При вращении роторов после образования полости A она переходит в полость B, полость B - в полость C, полость C - в полость D, а полость D соединяется с камерой нагнетания, и сжатый воздух выталкивается в нее последующим витком. Благодаря уходу полости A на стороне всасывания образуется разрежение, из-за которого воздух поступает в винтовые части роторов. При выходе зуба витка ротора 2 из винтовой впадины 5 ротора 1 воздух также поступает в нее и оказывается изолированным после вхождения зуба ротора 2 во впадину снова в ней между зубьями витков ротора 2 до попадания в камеру нагнетания. При перемещении воздуха по впадине 5 он сжимается в ней из-за уменьшения шага резьбы. Однако степень сжатия во впадине 5 ротора 1 меньше, чем в замкнутых полостях между витками ротора 2, т.е. процесс сжатия газа во впадине 5 происходит с недожатием. При соединении впадины 5 с камерой нагнетания после выхода зуба винта ротора 2 из зацепления давления газа в ней выравнивается с давлением в полости камеры нагнетания, а затем воздух из впадины 5 выталкивается замыкающим зубом. Энергетические потери от недожатия зависят от относительного количества воздуха, поступающего во впадину 5. Эти потери уменьшаются при большем числе роторов 2, находящихся в зацеплении с ротором 1.

Благодаря образованию замкнутых полостей в винтовых частях роторов на всасывании и на нагнетании для работы компрессора не требуются ни окна всасывания, ни окна нагнетания. При наличии на каждом роторе компрессора двух отдельных винтовых частей с противоположным направлением резьбы устраняется осевая нагрузка от газовых сил на опоры ротора.

Уплотнение валов роторов компрессора для исключения подсоса воздуха и масла из подшипниковой камеры в камеру всасывания не предусматривается из-за хороших условий всасывания. Однако такое уплотнение валов роторов компрессора не исключается.

Конструкция расширителя газов приведена на фиг. 2. Он состоит из одного отсечного ротора 1 и нескольких роторов 2. Для упрощения рисунка взята конструкция расширителя газов из одного отсечного ротора 1 и одного ротора 2. Роторы имеют две отдельные друг от друга винтовые части на каждом роторе, отделенные разделительной частью 6 ротора. Они расположены в расточках корпуса 4. Винтовая часть 8 роторов расширителя представляет собой однозаходную резьбу переменного шага. Величина шага увеличивается в сторону разделительной части 6 роторов. В зацепленном состоянии винтовые части роторов имеют замкнутые полости. Отношение объема замкнутой полости на стороне пониженного давления к объему замкнутой полости на стороне повышенного давления определяет геометрическую степень расширения газа. Из-за консольности расположения винтовой части 8 число витков ее ограничено.

Винтовая часть роторов, обозначенная 9, имеет мелкую резьбу переменного шага. Величина шага резьбы уменьшается в сторону разделительной части 6. Резьба однозаходная. На корпусе 4 вокруг разделительной части 6 роторов расположен коллектор 7.

Работа расширителя газов осуществляется следующим образом. Сжатый и нагретый газ из камеры сгорания поступает в винтовую часть 8 роторов, где при их вращении образованные замкнутые полости, перемещаясь по винтовой части от стороны повышенного давления и увеличиваясь в объеме, переходят на сторону пониженного давления. Благодаря разнице давлений между соседними полостями на их смежных витках возникает крутящий момент ротора.

Газ также поступает во впадину 5 при выходе из нее зуба витка винтовой части ротора 2 и отсекается в ней при следующем вхождении его во впадину. Поступивший газ, находящийся во впадине 5 между зубьями двух витков винтовой части ротора 2, расширяется в ней из-за изменения длины впадины между зубьями вследствие увеличения шага резьбы. Степень расширения газа во впадине 5 меньше, чем в витках ротора 2, т.е. процесс идет с недорасширением. Энергетические потери, связанные с протеканием газа во впадине 5, уменьшаются при увеличении числа роторов 2, а также при уменьшении ширины этой впадины.

Расширившийся газ не имеет возможности попасть в подшипниковую камеру, расположенную за винтовой частью 9. Этому препятствует винтовая часть 9, которая подсасывает воздух из подшипниковой камеры или непосредственно из атмосферы через отверстия в корпусе 4 /не показаны/, сжимает его до давления расширившегося газа и нагнетает его в коллектор 7. Количество подсасываемого газа незначительно.

Газовинтовой двигатель, изображенный на фиг. 3, состоит из винтового компрессора 11 и винтового расширителя газов 12, выходные валы которых соединены муфтой 13. Другой конец вала компрессора служит выходным валом 14 двигателя. Компрессор 11 имеет один ротор 1 и четыре ротора 2. Роторы имеют по две винтовые части. Их резьба выполнена на основе однозаходной резьбы переменного шага и противоположна по направлению. Коллектор 15 для сбора сжатого воздуха расположен в средней части компрессора. Для всасывания имеются два коллектора 24. Роторы имеют опоры 16 и синхронизирующие шестерни 17.

Расширитель газов 12 имеет один отсечной ротор 1 и четыре ротора 2, находящиеся с ним в зацеплении. Роторы имеют опоры 18 и синхронизирующие шестерни 19. Винтовые части роторов расширителя выполнены на основе однозаходной резьбы переменного шага. Камера сгорания 21 установлена на крышке 20, которая крепится к корпусу расширителя через теплоизолирующую прокладку 10. Поверхность крышки изнутри имеет теплоизоляцию 22. Расширитель имеет коллектор 7 над разделяющей частью роторов для сбора и отвода расширившихся газов.

В схеме двигателя предусматривается газовый теплообменник для прогрева сжатого воздуха за счет отработавших газов.

Работа газовинтового двигателя осуществляется следующим образом. Воздух через всасывающие коллекторы 24 подводится к винтовым частям роторов компрессора 11, сжимается в них и поступает в коллектор 15. Из него сжатый воздух идет в газовый теплообменник /не показан/, где нагревается от выхлопных газов, проходящих через этот теплообменник. Подогретый воздух поступает в камеру сгорания 21, где осуществляется сжигание топлива. Горячий сжатый газ из камеры сгорания поступает в полость крышки 20 и далее в винтовые части роторов расширителя. После расширения в них газ попадает в коллектор 7. Попаданию газа в подшипниковую камеру препятствует винтовая часть 9, которая подсасывает воздух из нее или из атмосферы и направляет поджатый в ней воздух в этот же коллектор. Из коллектора 7 газ поступает в газовый теплообменник перед его выбросом в атмосферу.

Получаемая мощность при расширении газа в расширителе 12 используется для привода компрессора 11 через муфту 13. Избыток мощности передается потребителю через вал компрессора, который играет роль выходного вала 14 двигателя для привода, например, автомобиля.

Комбинация из расширителя газов и компрессора, питающего воздухом камеру сгорания расширителя, может служить как двигателем при мощности расширителя, большей мощности, потребляемой компрессором, так и компрессором для подачи воздуха внешнему потребителю при равенстве указанных мощностей.

Газовинтовой двигатель устраняет все указанные недостатки прототипа:
- благодаря разным наклонам витков резьбы подбираются объемы замкнутых полостей на входе в винтовую часть роторов в компрессоре и в расширителе газов, обеспечивающие один и тот же массовый расход газов через них;
- из-за отсутствия окон всасывания и нагнетания в компрессоре, впускных и выпускных окон в расширителе газов возможно увеличение числа оборотов роторов и уменьшение относительной доли перетечек;
- благодаря однозаходности резьбы улучшается соотношение между описываемым объемом и поверхностью теплоотдачи;
- из-за упрощения резьбы винтовые машины имеют на один отсечной ротор несколько роторов, зацепляемых с ним, что вместе с возможностью увеличения числа оборотов роторов позволяет сделать винтовые машины компактными и пригодными для транспортных средств.

Источники информации
1. П.Е. Амосов и др. Винтовые компрессорные машины. Справочник. Л.: Машиностроение, Ленингр. отделение, 1977, стр. 67 - 68.

Двигатель предназначен для использования на тепловых электростанциях и транспортных средствах и позволяет увеличить их агрегатную мощность. Он содержит компрессор, газовый теплообменник, камеру сгорания и расширитель газов. Компрессор и расширитель газов выполнены в виде винтовых машин, изготовленных на основе однозаходной резьбы переменного шага, и имеют несколько роторов на один отсечной ротор. Винтовой расширитель газов снабжен винтовым поджимающим устройством. 3 ил.

Газовинтовой двигатель, содержащий компрессор, газовый теплообменник, камеру сгорания и расширитель газов, при этом компрессор и расширитель газов выполнены в виде винтовых машин, отличающийся тем, что газовый объем двигателя незамкнут, винтовые машины изготовлены на основе однозаходной резьбы переменного шага с несколькими роторами на один отсечной ротор, а винтовой расширитель газов снабжен винтовым поджимающим устройством.