ДВИГАТЕЛЬ НЕПРЕРЫВНОГО ГОРЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2004 года по МПК F02B55/02 F01C1/34 

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к двигателям внутреннего сгорания.

Одной из основных проблем конструирования двигателей внутреннего сгорания (ДВС) является проблема уменьшения их веса, то есть повышения удельной мощности.

Известны различные пути решения указанной проблемы, в частности роторный двигатель непрерывного горения (РДК), который зарегистрирован как полезная модель (свидетельство №9263 с приоритетом от 27.10.97 г.), обращенный роторный двигатель непрерывного горения (ОРДК), также зарегистрированный как полезная модель (свидетельство №14387 с приоритетом от 18.01.2000 г.).

В полезной модели (свидетельство №9263) "Роторный двигатель непрерывного горения (РДК)" задача создания технологичного ДВС высокой удельной мощности решена тем, что в нем элементы термодинамического цикла пространственно разделены и благодаря этому стало возможным, совместив их во времени, сделать непрерывными.

В корпусе роторного двигателя, в цилиндрической полости, поперечное сечение которой образовано двумя полуокружностями с разнесенными вдоль общего диаметра центрами, установлен цилиндрический ротор с осью вращения, параллельной образующей цилиндрической полости, образующий со стенками полости камеру сжатия и камеру расширения, а также выполненные в теле корпуса первый канал для впуска в камеру сжатия, второй канал для выпуска из камеры расширения рабочего тела и размещенный в теле корпуса вдоль цилиндрической полости в области скольжения ротора третий канал, разделенный радиально установленной перфорированной перегородкой, участок третьего канала вдоль камеры сжатия образует демпферную камеру, сообщающуюся продольной щелью с камерой сжатия, а участок вдоль камеры расширения - камеру горения, сообщающуюся продольной щелью с камерой расширения.

При этом первый и второй каналы для впуска в камеру сжатия и выпуска из камеры расширения рабочего тела сообщаются с камерами серпообразными щелями, расположенными по дугам полостей корпуса длиной до 120° , отмеренным от линии касания ротора со стенкой полости, ротор установлен с возможностью скольжения по дуге стенки полости в линии касания ротора со стенкой полости, камера сжатия и камера расширения расположены вдоль оси ротора и отделены друг от друга радиальной перегородкой, разделяющей полость на два объема, а поверхность ротора на две части, каждая из которых снабжена расположенными под углом 120° друг к другу радиальными лопастями, выполненными подпружиненными с возможностью перемещения в радиальном направлении и касания стенки полости корпуса.

Поскольку камера сжатия и камера горения отделены друг от друга демпферной камерой, а камера расширения размещается в другой относительно камеры сжатия полости, отсутствует возможность прорыва горящей смеси к сжимаемой, что снижает требования к уплотнениям и повышает моторесурс ДВС. Кроме того, профили полостей корпуса и ротора более просты и, соответственно, ДВС более технологичен по сравнению, например, с двигателем Ванкеля.

Обращенный роторный двигатель непрерывного горения (ОРДК, свидетельство на ПМ №14387), в котором подвижный ротор вращается вокруг неподвижного статора, заключенного внутри ротора, использует тот же, что и РДК, принцип пространственного разделения элементов термодинамического цикла и непрерывность процессов во времени.

Подвижный роторный блок включает в себя роторы узла сжатия и узла расширения, в радиальных выступах которых, отстоящих по дуге на 120° друг от друга, помещены подвижные лопасти, подпружиненные таким образом, чтобы они могли перемещаться радиально внутрь; неподвижный статорный блок, состоящий из статоров узла сжатия и узла расширения с осью, совпадающей с осью вращения роторного блока, образует со стенками роторного блока камеры сжатия и расширения. Неподвижный статорный блок имеет радиальные выступы, а с диаметрально противоположной стороны - выемки цилиндрической формы, по образующим которых скользят расположенные в выступах роторов под углом 120° друг к другу подпружиненные с возможностью перемещения в радиальном направлении и касания образующих статоров радиальные лопасти. ОРДК может быть установлен в ступице колеса, что исключает необходимость трансмиссий как таковых, а следовательно, снижает массогабаритные параметры и потери.

Однако и прямой, и обращенный роторные двигатели имеют разнесенные вдоль оси узлы сжатия и расширения, роторы которых должны быть механически связаны между собой, обеспечивая в то же время разобщение полостей этих узлов. Это требует двух дополнительных плоскостей скольжения (роторов и лопастей по разделительной перегородке). Кроме того, такое решение не минимизирует массу двигателя.

Эти недостатки устранены в предлагаемых ниже конструкциях.

В дальнейшем, предлагаемое изобретение поясняется описанием примеров его выполнения со ссылками на фигуры чертежей, на которых:

Фиг.1 изображает схему прямого роторного двигателя непрерывного горения, выполненного согласно настоящему изобретению;

Фиг.2 - схему обращенного роторного двигателя непрерывного горения, выполненного согласно настоящему изобретению;

Фиг.3 - вид осевого сечения прямого роторного двигателя непрерывного горения, выполненного согласно настоящему изобретению;

Фиг.4 - вид осевого сечения обращенного роторного двигателя непрерывного горения, выполненного согласно настоящему изобретению;

Фиг.5 - профиль полости статора прямого роторного двигателя непрерывного горения, выполненного согласно настоящему изобретению;

Фиг.6 - профиль поверхности статора обращенного роторного двигателя непрерывного горения, выполненного согласно настоящему изобретению.

Фиг.1 и 3 иллюстрируют первый вариант предпочтительной реализации роторного двигателя непрерывного горения, выполненного согласно настоящему изобретению, который условно именуется как прямой роторный двигатель.

Прямой роторный двигатель (фиг.1) содержит статор 1 и роторный блок 2, установленный в полости 3 статора 1. Полость 3, имеющая цилиндрическую боковую поверхность, замкнута с торцов стенками 4. Статор 1 (фиг.3) содержит впускной канал 5, камеру сжатия 6, демпферную камеру 7, камеру горения 8, камеру расширения 9 и выпускной канал 10. Роторный блок 2 содержит цилиндрический ротор 11 и лопатки 12, подвижно установленные в пазах 13, выполненных в роторе 11 продольно его оси. Ротор 11 закреплен на оси 14, установленной в подшипниках (не показаны), которые закреплены в стенках 4. Ротор 11 имеет таким образом возможность вращаться внутри полости 3. Шесть пазов 13 равномерно распределены по окружности поперечного сечения ротора 11 с шагом 60° . Количество лопаток, равное 6, является минимально необходимым: в камере сжатия и в камере расширения созданы зона низкого давления, зона высокого давления и зона скольжения ротора по статору, изолирующая узлы друг от друга. Непрерывность процессов определяет равенство секторов, занятых этими зонами, отсюда размер сектора в 60° (360° разделить на два узла и на три зоны). Увеличение количества лопаток сверх минимально необходимого ничего не изменяет в ходе процесса, но увеличивает потери.

Как показано на фиг.3, упругие элементы (пневматические, гидравлические и т.п., изображенные на чертеже пружинами 15), установленные в пазах 13 ротора 11, находятся в сжатом состоянии и работают на выталкивание лопаток 12 из пазов 13 наружу таким образом, что лопатки 12 при любом положении ротора 11 относительно статора 1 контактируют с боковой стенкой полости 3.

Фиг.2 и 4 иллюстрируют второй вариант предпочтительной реализации роторного двигателя непрерывного горения, выполненного согласно настоящему изобретению, который условно именуется как обращенный роторный двигатель.

Обращенный роторный двигатель (фиг.2) содержит роторный блок 17, в полости 18 которого установлен статор 16. Полость 18, имеющая цилиндрическую боковую поверхность, замкнута с торцов стенками 19 двигателя. Статор 16 (фиг.4) содержит впускной канал 20, камеру сжатия 21, демпферную камеру 22, камеру горения 23, камеру расширения 24 и выпускной канал 25. Роторный блок 17 содержит цилиндрический ротор 26 и лопатки 27, подвижно установленные в пазах 28, выполненных в роторе 26 продольно его оси и имеющих возможность перемещаться радиально к центру под действием упругих элементов 29 до касания с боковой поверхностью статора. Ротор 26 закреплен на статоре как на оси, на подшипниках (не показаны), которые закреплены в стенках 19, и имеет таким образом возможность вращаться вокруг статора 16. Шесть пазов 28 равномерно распределены по окружности поперечного сечения ротора 26 с шагом 60° . Количество лопаток определено теми же соображениями, что и в прямом роторном двигателе. Упругие элементы, аналогичные примененным в прямом роторном двигателе (15 фиг.3), обеспечивают выдвижение лопаток к центру до касания боковых поверхностей ротора.

Работа прямого роторного двигателя поясняется со ссылками на фиг.3.

Воздух поступает по впускному каналу 5 и по мере продвижения лопатки засасывается в расширенную часть камеры сжатия 6, сжимается в узкой части камеры сжатия и затем поступает в демпферную камеру 7. В демпферной камере 7 пульсации воздушного потока сглаживаются, и воздух через сопло поступает в камеру горения 8. В камеру горения 8 по каналу впрыска непрерывно поступает горючее, сгорающее в ней с постоянной скоростью.

Сопло и канал впрыска вынесены на одну из стенок (не показаны) для обеспечения возможности их замены при смене горючего. При использовании горючего, неспособного к детонации в условиях камеры сжатия, всасываться и сжиматься может готовая горючая смесь, которая поджигается и продолжает затем гореть в камере горения. В этом случае вместо сопла устанавливается перепускной канал с сеткой, предотвращающей возгорание смеси в демпферной камере.

Продукты горения поступают в узкую часть камеры расширения 9 и, оказывая давление на лопатку, расширяются в широкую часть этой камеры. Отработанные газы через выпускной канал 10 уходят из двигателя.

Работа обращенного роторного двигателя поясняется со ссылками на фиг.4.

Воздух поступает по впускному каналу 20 и по мере продвижения лопатки засасывается в расширенную часть камеры сжатия 21, сжимается в узкой части камеры сжатия и затем поступает в демпферную камеру 22. В демпферной камере 22 пульсации воздушного потока сглаживаются, и воздух через сопло поступает в камеру горения 23. В камеру горения 23 по каналу впрыска непрерывно поступает горючее, сгорающее в ней с постоянной скоростью.

Сопло и канал впрыска вынесены на одну из стенок (не показаны) по тем же соображениям, что и в прямом роторном двигателе.

Продукты сгорания поступают в узкую часть камеры расширения 24 и, оказывая давление на лопатку, расширяются в широкую часть этой камеры. Отработанные газы через выпускной канал 25 уходят из двигателя.

Узлы сжатия и расширения, расположенные в прототипах рядом друг с другом вдоль оси двигателя, в предлагаемых двигателях размещены в одной плоскости, перпендикулярной оси двигателя, и отделены друг от друга первым и четвертым секстантами (секторами с центральным углом в 60° ) статора, находящимися в скользящем контакте с ротором. В пределах этих секстантов и расположены впускные и выпускные каналы и камеры демпфирования и горения.

Процессы проходят совершенно аналогично и в прямом, и в обращенном двигателях с той лишь разницей, что в прямом двигателе ротор с подвижными лопатками помещен и вращается внутри статора, а в обращенном - ротор с подвижными лопатками вращается вокруг статора, помещенного во внутреннюю полость ротора.

Пример термодинамического расчета двигателей.

1. Для расчета геометрического сжатия (и расширения) рассмотрим фиг.5 и 6.

Форкамерный объем камеры сжатия

для прямого (фиг.3а) и

для обращенного (фиг.3б) или

,

(здесь и далее L - длина статора вдоль оси двигателя).

Выходной объем камеры сжатия

,

тогда геометрическое сжатие

Аналогично

Форкамерный объем камеры расширения

,

Выходной объем камеры расширения

,

геометрическое расширение

2. Исходные данные:

R₀–75; k_c=8,0; L=150;

R_1пр=90; R_2пр=77 (для прямой модели - фиг.5);

R_1об=73; R_2об=57 (для обращенной - фиг.6);

давление во входной камере P_1с=0,95 (атм);

входная температура T_1c=300К;

выходная температура камеры горения T_1p=1300К;

показатели политропы n_с=1,3, n_р=1,25.

3. Расчет:

Камера сжатия

Рабочий начальный объем V₁=194,3 (см³); рабочий объем цикла V_1ц=1166 (см³); масса рабочего тела m=1,29× 10^-3×^{0,95× 180=1,4 (г/ц); коэф. политропного сжатия к_дс=(k_c)1,3=15,0; к_mc=(k_c)0,3=1,86; =>Р_2с=0,95× 15,0=14,25 (атм); T_2c=300× 1,86=558(К);}

рабочий конечный объем V₂=24,3 (см³);

Демпферная камера

Принимаем перепускное падение давления на переходе в камеру горения d=1 (атм).

Камера горения

Р=13,25 (атм); Т_вх=558К; Т_вых=1300К; V_t=V₂ Т_вых/Т_вх=56,6 (см³).

Камера расширения

Принимаем Р_2р=1,05 (атм), тогда коэф. политропного расширения к_др=13,25/1,05=12,6 =>

=> k_p=V₄/V₃=7,6 => к_mр=1,66 => Т₄=783 (К)

V₃=56,6 (см³) V₄=430 (см³) =>

=> S₃=3,77 (см²); S₄=28,7 (см²); =>

R_3пр=80; R_4пp=105 (для прямой модели - фиг.5);

R_3об=70; R_4oб=12 (для обращенной - фиг.6);

Работа цикла

W=1,4× 10^-3×^{287[(1300-783)/0,25-(558-300)/0,3]=478 (Дж/ц).}

Таким образом, роторный двигатель непрерывного горения с габаритными диаметром 220 и длиной 160 (для прямой модели) или диаметром 280 и длиной 160 (для обращенной) при 3000 об/мин сможет развить мощность 24 кВт.

Из приведенного расчета хорошо видно, что при сохранении термодинамического режима и радиальных размеров мощность двигателей прямо пропорциональна их осевой длине. Это позволяет легко изменять мощность выпускаемых серийно двигателей без существенного изменения технологической линии. Так, например, прямой роторный двигатель габаритным диаметром 220 мм и габаритной длиной 310 мм при 3000 об/мин разовьет мощность 48 кВт.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторным двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит статор и роторный блок. В пазах ротора установлены подвижные радиальные лопатки. Внутренняя полость статора содержит первый и второй участки, образующие со смежными лопатками камеры сжатия и расширения соответственно. Согласно изобретению роторный блок содержит, по меньшей мере, шесть равномерно распределенных лопаток, а первый и второй участки боковой поверхности статора расположены по разные стороны оси ротора диаметрально противоположно друг другу. При этом в камере сжатия сжимается воздух, поступает через демпферную камеру, в которой сглаживаются пульсации воздушного потока, в камеру сгорания, а горючее по каналу впрыска подается в камеру сгорания непрерывно. В варианте выполнения двигателя внутренняя деталь выполнена неподвижной, а деталь, установленная снаружи, - подвижной с возможностью вращения. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

1. Двигатель непрерывного горения, содержащий статор, имеющий внутреннюю полость с цилиндрической боковой поверхностью, и роторный блок, установленный с возможностью вращения во внутренней полости статора, роторный блок содержит ротор с круглой цилиндрической боковой поверхностью, в которой продольно оси ротора выполнены радиальные пазы, и подвижные лопатки, установленные в пазах таким образом, чтобы они могли перемещаться радиально относительно оси ротора до соприкосновения с цилиндрической боковой внутренней поверхностью полости статора, содержащей первый и второй участки, образующие со смежными лопатками ротора камеры сжатия и расширения соответственно, отличающийся тем, что роторный блок содержит, по меньшей мере, шесть лопаток, установленных в пазах и равномерно распределенных по периметру ротора, а первый и второй участки боковой поверхности статора расположены по разные стороны оси ротора диаметрально противоположно друг другу, при этом в камере сжатия сжимается воздух, поступает через демпферную камеру, в которой сглаживаются пульсации воздушного потока, в камеру сгорания, а горючее по каналу впрыска подается в камеру сгорания непрерывно.2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что воздух поступает в камеру сгорания через сопло.3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что воздух поступает в камеру сгорания через перепускной канал с сеткой, предотвращающей возгорание смеси в демпферной камере.4. Двигатель непрерывного горения, содержащий статор с цилиндрической наружной боковой поверхностью и роторный блок, содержащий ротор, имеющий внутреннюю полость с круглой цилиндрической боковой поверхностью и выполненный с возможностью вращения относительно статора, установленного во внутренней полости ротора, и подвижные лопатки, установленные в радиальных пазах, равномерно распределенных по периметру внутренней полости ротора и выполненных в поверхности внутренней полости ротора продольно его оси таким образом, чтобы лопатки могли перемещаться радиально относительно оси ротора до соприкосновения с цилиндрической наружной боковой поверхностью статора, содержащей первый и второй участки, которые образуют со смежными лопатками ротора камеры сжатия и расширения соответственно, отличающийся тем, что роторный блок содержит, по меньшей мере, шесть лопаток, а первый и второй участки боковой поверхности статора расположены по разные стороны оси ротора диаметрально противоположно друг другу, при этом в камере сжатия сжимается воздух, поступает через демпферную камеру, в которой сглаживаются пульсации воздушного потока, в камеру сгорания, а горючее по каналу впрыска подается в камеру сгорания непрерывно.5. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что воздух поступает в камеру сгорания через сопло.6. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что воздух поступает в камеру сгорания через перепускной канал с сеткой, предотвращающей возгорание смеси в демпферной камере.