РОТОРНЫЙ СЕКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2004 года по МПК F02C5/02 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания роторного типа, в которых используется работа импульса сгорания.

По способу смесеобразования относится к двигателям с внешним насосно-карбюраторным смесеобразованием жидкого топлива в трубопроводе с последующим впрыскиванием насосом и газосмесителем при подаче горючей рабочей смеси газообразного топлива и воздуха через смеситель. Зажигание постороннее в виде электрических свечей зажигания.

Известны устройства двигателей внутреннего сгорания поршневые, в которых работа расширения продуктов сгорания топлива воспринимается в цилиндре поршнем и возвратно-поступательное движение преобразуется во вращательное движение при помощи механизма, включающего коленчатый вал. Это самый распространенный тип двигателя в настоящее время.

Известны турбинные, газотурбинные или турбовинтовые двигатели, в которых работа расширения продуктов сгорания воспринимается рабочими лопатками, закрепленными в дисках или барабанах вращения вала. Такие двигатели принимаются в основном в авиационных силовых установках.

Известна газотурбинная установка со сгоранием топлива в постоянном объеме. Двигатель выполнен двухвальным. Камеры сгорания постоянной формы (ПФ) и постоянного объема (ПО) отделены от турбины. Продукты сгорания, имея повышенное давление и температуру, устремляются по соплам на тяговые турбины, которые установлены на выходном валу двигателя (патент РФ №2147341, МПК F 02 C 5/12, опуб. 2000.04.10.).

Известен двигатель, на диске ротора которого установлены 3 камеры сгорания ПФ и ПО. Подача топлива и окислителя в камеры сгорания производится путем впрыскивания их через полый полувал и отверстия в дисках на полувалу двигателя, таким же путем подается электроток на свечи зажигания, установленные в диске ротора в маленьких углублениях для воспламенения в камерах сгорания. Созданы условия подачи топлива с окислителем в камеры сгорания таким образом, что в процессе одного оборота вала двигателя этот процесс (подача горючего - вспышка топлива - выхлоп) осуществляется дважды и в определенной последовательности в каждой камере сгорания; синхронно подается электрический ток на свечи зажигания и открываются окна в концентрических дугах для выдачи отработанных газов. За один оборот срабатывают 3× 2=6 камер сгорания (заявка Франции №2779846, МПК F 02 C 5/00, опубл. 27.07.1999). В заявке Франции ничего не сказано, что это может каким-то образом повториться на диске ротора и статоре несколько раз. Не сказано и не показано, что на одном двигателе - статоре и диске ротора устанавливается несколько таких устройств. Конструкция только удваивает работу камер сгорания в этом 3-х камерном двигателе. Агрегатирование нескольких таких двигателей в один агрегат на одном валу и диске ротора не предусмотрено.

Известен дисковый роторный двигатель с двумя горелками, установленными по диагонали с подачей пламенной струи на диск ротора в камеры сгорания через полый вал двигателя и специальные каналы на роторе, удлиненные камеры. Подача топлива осуществляется через полый вал, по специальным каналам на диске ротора в камеры сгорания. Полученный эффект - привлечение к образованию вращательного момента на диск ротора за один оборот дважды от наличия количества камер сгорания на диске ротора. Из 12 камер сгорания на диске ротора участвуют (или привлекаются в работу) 24 камеры сгорания за один оборот рабочего вала. То есть, каждая камера сгорания дважды участвует в работе по передаче вращательного момента диску ротора за один оборот. Но полый вал с насыщенными каналами для подачи топлива и струи огня в диск ротора не позволил конструкции объединить несколько таких двигателей на одном валу в единый агрегат (заявка ФРГ №19525268, МПК F 02 C 5/02).

Ближе всех конструкций к понятию роторный, секторный двигатель по вовлечению в работу камер сгорания ПФ и ПО подходит конструкция-прототип по патенту РФ №2051284, МПК F 02 C 5/04, опубл. 27.12.1995. В корпусе с патрубками для отвода отработанных газов установлен ротор с камерами сгорания. Ротор установлен на полом валу, внутри которого смонтирован с зазорами газораспределительный коллектор с подающими каналами для подачи газообразных компонентов топлива. Напротив каждой камеры сгорания в полом валу имеется сквозное отверстие для подачи компонентов топлива из подающих каналов в камеры сгорания. Камеры сгорания жестко закреплены на валу и выполнены в виде лопаток осевого компрессора.

Патрубки отвода отработанных газов расположены в корпусе двигателя равномерно с угловым шагом, равным угловому шагу установленных на роторе корпусов камер сгорания.

Электрические контакты системы зажигания размещены на патрубках отвода отработанных газов в торцах, соприкасающихся с торцами камер сгорания. Двигатель работает на смеси: водород, метан, кислород воздуха. Вал двигателя крепится (или совмещается) к валу генератора тока.

Стартер приводит во вращение ротор турбины. При вращении каналы на валу совпадают с каналами для подачи газообразного топлива, топливо под давлением заполняет камеры сгорания. Вращаясь, далее совпадают каналы для подачи окислителя. Образуется гремучая смесь. Дальнейшее вращение вала перекрывает каналы подачи топлива и в этот момент срабатывает электрический контакт системы зажигания. Поджигается гремучая смесь. Происходит хлопок. Под воздействием реактивных сил чередующихся хлопков происходит вращение турбины.

В конструкции принята подача топлива и окислителя через полый вал и диск ротора. Это исключило возможность установки ряда таких двигателей на одном рабочем валу.

Надо отметить, по описанию низкий кпд топлива: камеры сгорания “хлопком” выстреливают в патрубок двигателя, и только какая-то часть топлива расходуется на передачу вращательного момента диску ротора.

Конструкция лучше всех, приведенных ранее, распорядилась с вовлечением камер сгорания в осуществление вращательного момента на диске ротора. За один оборот диска ротора включаются в работу 4х4=16 камер сгорания. Но в связи с тем, что в описании и формуле изобретения не показано и не сказано, как осуществляется герметичность камер сгорания, то вспрыснутая доза горючей смеси из камер сгорания просочится в нейтральные зоны, еще больше уйдет при входе в зону патрубков для отвода отработанных газов до полного “противостояния” камер и патрубков - до срабатывания электрического контакта. И оставшаяся смесь после срабатывания электрического контакта не “хлопнет”... С целью устранения недостатков в конструкции газовой турбины внутреннего сгорания по патенту РФ №2051284 необходимо осуществить подачу топлива и окислителя, минуя полый вал, обеспечить герметичность камер сгорания двигателя, сгладить или устранить скачкообразность вращения ротора в статоре, оставляя преимущество вовлечения в работу камер сгорания в роторе двигателя за один оборот диска ротора, обеспечить агрегатирование однотипных двигателей на одном валу предлагается роторный секторный двигатель внутреннего сгорания.

Технической задачей изобретения является повышение удельных показателей двигателя.

Поставленная задача достигается тем, что в роторном двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус-статор с полостью правильной цилиндрической формы, в которой на валу установлен диск ротора с камерами сгорания постоянной формы и постоянного объема, на корпусе-статоре выполнены впускной, выпускной и продувочный каналы и установлена свеча зажигания, при внешнем смесеобразовании жидкое топливо впрыскивается под давлением, или газовая рабочая смесь подается через газосмеситель, согласно изобретению, корпус-статор и диск ротора двигателя разбит на основные и заполняющие секторы, основные секторы состоят из заполняющих секторов, на диске ротора в заполняющих секторах выполнены герметичные камеры сгорания, в основных секторах корпуса-статора выполнены впускные, выпускные и продувочные каналы, а также установлены свечи зажигания, причем процессы в основных секторах протекают одновременно, а полный оборот вала осуществляется при срабатывании количества камер сгорания на диске ротора, равного квадрату количества основных секторов, умноженному на количество заполняющих секторов в основном секторе.

Поставленная задача достигается также тем, что на одном валу единого агрегата могут быть размещены несколько двигателей.

Изобретение поясняется при помощи чертежей.

На фиг.1 представлен описываемый двигатель; на фиг.2 - то же, продольный разрез двигателя.

Описываемый двигатель содержит корпус-статор 1 с полостью 2 правильной цилиндрической формы, в которой с минимальным зазором установлен на валу 3 диск 4 ротора с камерами сгорания 5 постоянной формы и постоянного объема. На корпусе-статоре 1 выполнены впускной 6, выпускной 7 и продувочный 8 каналы и установлена свеча зажигания 9. При внешнем смесеобразовании жидкое топливо впрыскивается под давлением, или газовая рабочая смесь подается через газосмеситель (не показаны). Корпус-статор 1 разбит на основные секторы 10, а диск 4 ротора - на заполняющие секторы, в которых выполнены герметичные камеры сгорания 5. В каждом основном секторе 10 корпуса-статора 1 выполнены впускные 6, выпускные 7 и продувочные 8 каналы, а также установлены свечи зажигания 9. Причем процессы в основных секторах протекают одновременно, а полный оборот вала осуществляется при срабатывании количества камер сгорания 5 на диске 4 ротора, равного квадрату количества основных секторов 10, умноженному на количество заполняющих секторов в основном секторе 10.

На диске 4 ротора по границам камер сгорания 5 выполнены пазы 11 для установки в них уплотнительных пластин 12.

Всего в данном случае на корпусе-статоре 1 трехсекторного двигателя установлены три впускных канала, три свечи зажигания, три выпускных и три продувочных канала, то есть в каждом основном секторе выполнены по одному впускному каналу 6, установлена электрическая свеча зажигания 9 и выполнены по одному выпускному каналу 7 с одним продувочным каналом 8, а в диске 4 ротора выполнены девять камер сгорания.

Основных секторов 10 может быть и три и пять ... одиннадцать и т.д., в зависимости от потребности.

Двигатель работает следующим образом.

В положении диска 4 ротора, показанном на фиг.1, три камеры сгорания 5 находятся в заполняющем секторе 10. При этом одна камера сгорания 5 находится в районе впускного канала 6, другая - в районе свечи зажигания 9, а третья - в районе выпускного 7 и продувочного 8 каналов. В такой последовательности установлены и остальные группы камер сгорания 5 в основных секторах 10.

В камеры сгорания 5, находящиеся в районе впускных каналов 6, впрыскивается из последних под высоким давлением готовая рабочая смесь. При повороте диска 4 ротора на угол 40° камера 5 с готовой рабочей смесью перемещается в район свечи зажигания 9, после чего происходит воспламенение рабочей смеси и ее сгорание. Крутящий момент поворачивает диск 4 ротора и происходит рабочий ход с выпуском отработавших газов из камеры сгорания 5 через выпускной канал 7 и продувкой остаточных газов сжатым воздухом, подаваемым в камеру 5 через продувочный канал 8. В остальных камерах 5 основного сектора 10 происходят последовательно описанные процессы и одновременно - в других основных секторах 10.

В конструкции, показанной на фиг.1, при повороте диска 4 ротора на 120° срабатывают двять камер сгорания 5. За полный оборот диска 4 ротора срабатывают двадцать семь камер 5.

Открытие и закрытие впускных 6, выпускных 7 и продувочных 8 каналов осуществляется самим диском 4 ротора при его вращении.

При установке нескольких дисков 4 ротора в один агрегат на общий вал 3 возможно их смещение по углу поворота на угол, полученный путем деления значения заполняющего сектора на количество дисков 4. Например, для 4-секционного 3-секторного двигателя смещение будет равным: ⁴⁰/₄=10° , где 40 - угол заполняющего сектора, занимаемый камерой сгорания 5 в двигателе, показанном на фиг.1.

Подсчитаем количество участвующих в работе камер сгорания на диске роторного n - секторного двигателя внутреннего сгорания при одном полном обороте вала.

Обозначим:

k - общее количество камер сгорания, участвующих в работе при одном обороте вала роторного секторного двигателя;

n - число основных секторов в двигателе;

с - постоянная величина для данного двигателя, количество камер сгорания, принятое в одном основном секторе.

Тогда k=c· n· n=c· n²

Общий объем V_h всех участвующих в работе камер сгорания при одном обороте рабочего вала роторного n-секторного двигателя внутреннего сгорания будет равен V_h=k· V, где V - объем одной камеры сгорания. Подставим значение k:V_h=c· n²·^{V. Таким образом, общий объем всех участвующих в работе камер сгорания при полном обороте вала роторного n-секторного двигателя прямо пропорционально произведению объема одной камеры сгорания на квадрат количества основных секторов на диске ротора и на количество принятых заполняющих секторов в основном секторе.}

Определим общее количество участвующих в работе камер сгорания при полном обороте вала роторного n - секторного двигателя для значений n=3, 7, 11, 27 и с=3.

k₃=27, k₇=147, k₁₁=363, k₂₇=2187

Общий объем всех камер сгорания, участвующих в работе при одном обороте рабочего вала n-секторного двигателя при V=100 см³:

V₃=2,7 л, V₇=14,7 л, V₁₁=36,3 л, V₂₇=218,7 л

При малом объеме камер сгорания в секторном двигателе, в которых происходит сгорание, общий объем при полном обороте вала значительный. В малых камерах сгорания происходит более полное сгорание заряда, двигатель имеет меньшие габариты и более экономичен.

Количество основных секторов роторного секторного двигателя выбирается из проектной скорости вращения вала, давления, качества горючего, полноты сгорания топлива, очистки отработанных газов и возможности технического осуществления на данном этапе развития техники.

Конструкция роторного секторного двигателя упрощает

- схему подачи топлива и окислителя в рабочие камеры сгорания;

- размещение свечей зажигания;

- выпуск отработанных газов;

- конструкцию диска ротора;

- герметизацию камер сгорания,

а также улучшает массогабаритные удельные показатели.

Дает выигрыш в участии работы камер сгорания при одном полном обороте вала двигателя в передаче плавного крутящего момента на вал двигателя в квадрате от принятого количества основных секторов двигателя, а количество участвующих в работе камер сгорания увеличивается пропорционально количеству заполняющих секторов в основном секторе.

Конструкция заявленного двигателя технологичнее, экономичнее и экологичнее газовой турбины и существующих поршневых и роторно-поршневых двигателей.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторным импульсным двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение удельных показателей двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что роторный секторный двигатель содержит корпус-статор, в полости которого на валу установлен диск ротора с камерами сгорания постоянной формы и постоянного объема. На корпусе-статоре выполнены впускной, выпускной и продувочный каналы и установлена свеча зажигания. При внешнем смесеобразовании жидкое топливо впрыскивается под давлением, или газовая рабочая смесь подается через газосмеситель. Согласно изобретению, корпус-статор и диск ротора двигателя разбиты на основные и заполняющие секторы, при этом основные секторы состоят из заполняющих секторов, а на диске ротора в заполняющих секторах выполнены герметичные камеры сгорания. В основных секторах корпуса-статора выполнены впускные, выпускные и продувочные каналы, а также установлены свечи зажигания. Процессы в основных секторах протекают одновременно, а полный оборот вала осуществляется при срабатывании количества камер сгорания на диске ротора, равного квадрату количества основных секторов, умноженному на количество заполняющих секторов в основном секторе. Возможно размещение на одном валу единого агрегата нескольких двигателей. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Роторный секторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус-статор с полостью правильной цилиндрической формы, в которой на валу установлен диск ротора с камерами сгорания постоянной формы и постоянного объема, на корпусе-статоре выполнены впускной, выпускной и продувочный каналы и установлена свеча зажигания, при внешнем смесеобразовании жидкое топливо впрыскивается под давлением, или газовая рабочая смесь подается через газосмеситель, отличающийся тем, что корпус-статор и диск ротора двигателя разбит на основные и заполняющие секторы, основные секторы состоят из заполняющих секторов, на диске ротора в заполняющих секторах выполнены герметичные камеры сгорания, в основных секторах корпуса-статора выполнены впускные, выпускные и продувочные каналы, а также установлены свечи зажигания, причем процессы в основных секторах протекают одновременно, а полный оборот вала осуществляется при срабатывании количества камер сгорания на диске ротора, равного квадрату количества основных секторов, умноженному на количество заполняющих секторов в основном секторе.2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что на одном валу единого агрегата размещены несколько двигателей.