РОТОРНЫЙ СЕКТОРНЫЙ ТУРБОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2007 года по МПК F02C5/02 F02B53/14 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания без использования коленчатого вала, в которых используется работа импульса возгорания и расширения продуктов сгорания топлива, которое воспринимается стенками герметичных камер сгорания на дисках роторов и полостями турбины в полостях корпусов-статоров.

По способу смесеобразования двигатели относятся к двигателям с внешним смесеобразованием жидкого топлива в трубопроводе с последующим впрыскиванием насосом, и газосмесителем при подаче горючей рабочей смеси газообразного топлива и воздуха, и смешанным смесеобразованием при использовании многокомпонентного топлива. Зажигание производится свечами зажигания.

Известны двигатели внутреннего сгорания без использования коленчатого вала. Их можно разделить на двигатели, в которых работа расширения продуктов сгорания воспринимается рабочими лопатками, закрепленными на дисках или барабанах вращения вала, у которых между краями лопастей и внутренними гранями полостей корпусов статоров остается некоторый зазор, и конструкции, у которых зазор между краями стенок камер сгорания и внутренней полостью проема в корпусе-статоре полностью перекрывается и каждая камера сгорания в двигателях герметична.

К первым относятся турбинные, газотурбинные, турбовинтовые, турбореактивные, двигатели, в которых работа расширения продуктов сгорания топлива воспринимается рабочими лопатками, закрепленными в дисках или в барабанах вращения вала.

Камеры сгорания непрерывного действия постоянной формы (ПФ) и постоянного объема (ПО) установлены непосредственно и неподвижно на корпусе-статоре двигателя. Такие двигатели в основном применяются в авиационных силовых установках.

Известна газотурбинная установка со сгоранием топлива в постоянном объеме. Двигатель выполнен двухвальным. Камеры сгорания постоянной формы и постоянного объема 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, опубл. 2000.04.10).

Известен роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания Ф.Ванкеля (Словарь-справочник по механизмам. А.Ф.Крайнев. "Машиностроение", 1981, стр.31). В корпусе-статоре двигателя находится полость сложной конфигурации, с которой соприкасается ротор-поршень, профиль которого выполнен по эпитрохоиде. Трехгранный ротор-поршень установлен так, что он может вращаться на эксцентриковом валу, жестко соединенным с зубчатым колесом. Колесо взаимодействует с неподвижным колесом. Ротор-поршень с колесом обкатывается по неподвижному колесу. Грани его скользят по поверхности цилиндра, отсекая переменные объемы камер. Впрыск рабочей смеси осуществляется по входному каналу, воспламенение смеси производится от свечи зажигания. Выпуск отработанных газов производится через специальный выпускной канал. Вращаясь вокруг неподвижной шестерни по сложной кривой, ротор-поршень касается наружными поверхностями внутренних стенок корпуса-статора цилиндра. Для уплотнения камер сгорания устанавливаются на роторе-поршне в вершинах «треугольника», как представляется ротор-поршень в разрезе, уплотнительные пластинки, которые под действием центробежной силы прижимаются к корпусу. При вращении ротора-поршня объемы камер, образуемых между его поверхностями и стенками полости корпуса, последовательно изменяются. В этих камерах и протекают процессы впуска, сжатия и воспламенения топлива, расширения и выпуска отработавших газов. Открытие и закрытие впускного и выпускного каналов осуществляются самим ротором-поршнем. В двигателе за один оборот ротора-поршня протекают все рабочие процессы обычного четырехтактного двигателя, причем одновременно, но в разных рабочих камерах: три вспышки топлива, три рабочих хода, три выпуска отработавших газов, три впуска свежей порции горючего. Двигатель высокооборотный, компактный, легкий по весу. Основная причина его долгого освоения - это проблема с уплотнением камер сгорания, т.е. сложность с герметичным перекрытием в эпитрохоидальной полости-статора. На одном валу сопрягаются только два таких двигателя.

Роторный секторный двигатель внутреннего сгорания (РСДВС) (см. патент РФ №2235895, опубл. 10.09.2004) содержит корпус-статор с полостью правильной цилиндрической формы, в которой на валу установлен диск ротора с элементами рабочих камер ПФ и ПО. На корпусе-статоре выполнены элементы рабочих камер с впускными, выпускными и продувочными каналами и установленными электрическими свечами зажигания. При внешнем смесеобразовании жидкое топливо впрыскивается под давлением, газовая рабочая смесь подается через газосмеситель, многокомпонентное топливо подается смешанным способом.

Корпус-статор и диск ротора двигателя разбит на основные и заполняющие секторы. Основные секторы состоят из заполняющих секторов. В основных секторах корпусов-статоров выполнены элементы рабочих камер с впускными, выпускными и продувочными каналами и с установленными электрическими свечами зажигания. На диске роторе в заполняющих секторах выполнены элементы герметичных рабочих камер. В процессе вращения элементы рабочих камер на корпусе-статоре и диске ротора совмещаются и образуют камеры-дозаторы, в которые задается определенная последующая порция готовой рабочей смеси, камеры сгорания со свечами зажигания и с выпускными и продувочными каналами. В них и происходят процессы впрыскивания готовой рабочей смеси горючего, воспламенение этой смеси, рабочий ход, удаление продуктов сгорания. Открытие и закрытие впускных, выпускных и продувочных каналов осуществляется дисками роторов при своем вращении. Процессы в основных секторах протекают одновременно. Полный оборот вала двигателя осуществляется при срабатывании количества камер сгорания на диске ротора, равного квадрату количества основных секторов, умноженному на количество заполняющих секторов в основном секторе. Имеются в виду роторные секторные двигатели типов

- роторный секторный двигатель с «n» количеством основных секторов и минимальным количеством заполняющих секторов ("с"), равным 3 в основном секторе;

- роторный секторный двигатель с «n» количеством основных секторов и с минимальным количеством заполняющих секторов «с» в основном секторе, плюс еще заполняющий сектор «а», установленный в основном секторе до заполняющего сектора с камерой сгорания со свечой зажигания;

- роторный секторный двигатель с «n» количеством основных секторов с одним дополнительным заполняющим сектором «b» после заполняющего сектора со свечой зажигания в основном секторе, в котором выполнены исходящие сопла.

В роторном секторном двигателе, в котором предусмотрено применение горючего высокого класса в двигателях типов из камер сгорания выбрасывается поток расширенных горячих газов с высоким давлением, который не используется.

Технической задачей изобретения является повышение удельных показателей роторных секторных двигателей и газовых турбин.

Техническая задача решается в роторном секторном турбодвигателе внутреннего сгорания, содержащем роторный секторный двигатель и газовую турбину, роторный секторный двигатель имеет корпус-статор с полостью правильной цилиндрической формы, где на валу установлен диск ротора, корпус-статор и диск ротора разбиты на основные секторы, основные секторы состоят из заполняющих секторов, на корпусе-статоре в основных секторах по заполняющим секторам выполнены элементы рабочих камер с впускными каналами, электрическими свечами зажигания и выпускными каналами, на диске ротора в заполняющих секторах выполнены элементы герметичных рабочих камер. При вращении элементы рабочих камер ротора и корпуса-статора последовательно составляются в камеры дозаторы с впускными каналами, в камеры сгорания со свечами зажигания и выпускными каналами, в которых протекают процессы двигателя внутреннего сгорания, причем во всех камерах и во всех основных секторах одновременно. Открытие и перекрытие впускных и выпускных каналов производятся диском ротора при его вращении. Полный оборот вала двигателя осуществляется при срабатывании количества камер сгорания на двигателе, равного квадрату количества основных секторов на двигателе умноженному на количество заполняющих секторов в основном секторе. Согласно изобретению, роторный секторный двигатель и газовая турбина выполнены на одном валу, потоки горячих газов из камер сгорания постоянной формы и постоянного объема роторного секторного двигателя под высоким давлением направляются на лопасти газовой турбины через сопловые аппараты, выполненные в корпусе-статоре или диафрагме в количестве, равном количеству основных секторов на двигателе, которые равномерно рассредоточены по периметру корпуса-статора, при этом горячие газы направляются на газовую турбину прерывистыми порциями. Несколько роторных секторных турбодвигателей могут размещаться на одном валу единого агрегата.

Работа газовой турбины совместно с роторным двигателем отличается от работы обычных известных газовых турбин.

На известные газовые турбины потоки расширенного горячего газа с высоким давлением подаются из камер сгорания ПФ и ПО, установленных непосредственно на корпусе двигателя. В роторных секторных турбодвигателях камеры сгорания установлены на дисках роторов.

Камеры сгорания, установленные на известных газовых турбинах, установлены неподвижно и участвуют косвенно в передаче крутящего момента на вал двигателя путем передачи энергии потока горячих газов на лопасти турбины. В роторных секторных турбодвигателях сами камеры сгорания непосредственно участвуют в передаче крутящего момента на вал двигателя и направляют потоки горячих газов через сопловые аппараты на лопасти турбины.

На известные газовые турбины потоки горячих газов посылаются в сопловый аппарат одной и той же камерой сгорания. В роторных секторных турбодвигателях поток горячих газов через один и тот же сопловый аппарат посылается периодично, несколькими порциями, от последовательно подходящих к сопловым аппаратам камер сгорания на дисках роторов.

На известные газовые турбины потоки горячих газов посылаются одной и той же камерой сгорания беспрерывным потоком. В роторных секторных двигателях потоки горячих газов посылаются с перерывами. Только быстрым вращением диска ротора обеспечивается беспрерывность подачи потока горячих газов с высоким давлением на газовую турбину конструкции.

На известные газовые турбины потоки кинетической энергии продукта посылаются одним сопловым аппаратом. В роторных секторных двигателях потоки горячих газов посылаются количеством сопловых аппаратов, равного количеству основных секторов роторного секторного двигателя в направлении газовой турбины.

Чертежи, поясняющие изобретение:

фиг.1 - роторный секторный турбодвигатель с роторным секторным двигателем типа и газовой турбиной;

фиг.2 - сечение по А;

фиг.3 - сечение по В;

фиг.4 и 5 - схемы работы газовой турбины.

Роторный секторный турбодвигатель состоит из двигателя внутреннего сгорания без использования коленчатого вала - роторного секторного двигателя и газовой турбины, установленных на одном валу. Роторный секторный двигатель типа содержит корпус-статор 1 с полостью 2 правильной цилиндрической формы, в которой с минимальным зазором установлен на валу 3 диск 4 ротора с рабочими камерами 5 постоянной формы и постоянного объема. На корпусе-статоре 1 выполнены впускные каналы 6 и сопловые аппараты 7 в диафрагме 8 и установлены свечи зажигания 9. При внешнем смесеобразовании жидкое топливо впрыскивается под давлением или газовая рабочая смесь подается через газосмеситель (не показаны). Корпус-статор 1 и диск ротора 4 разбиты на основные 10 и заполняющие секторы, в которых выполнены элементы герметичных рабочих камер 5. В каждом основном секторе 10 корпуса-статора 1 выполнены части рабочих камер с впускными каналами 6, сопловыми аппаратами 7 и установленными свечами зажигания 9. В диске ротора 4 выполнены элементы рабочих камер 5. В процессе вращения диска ротора 4 (работы двигателя) из частей рабочих камер на корпусе-статоре 1 и диске ротора при совмещении образуются совместно с частями рабочих камер на корпусе-статоре с впускными каналами 6 дозаторные камеры, в которых накапливается последующая порция газовой рабочей смеси. При совмещении частей рабочих камер на диске ротора с частями рабочих камер с установленными на корпусе-статоре с электрическими свечами зажигания и с соплами образуются камеры сгорания.

На диске 4 ротора по границам частей рабочих камер 5 выполнены пазы 11 для установки на них уплотнительных пластин 12.

Процессы во всех основных секторах протекают одновременно. Полный оборот вала двигателя осуществляется при срабатывании количества камер сгорания 5 на диске ротора 4, равного квадрату количества основных секторов 10, умноженному на количество заполняющих секторов в основном секторе 10.

На валу 3 двигателя типа (фиг.1-3) установлена газовая турбина 13 с лопастями 14, закрепленными на барабане 15, и с соплами 16. Поток горячих газов от роторного секторного двигателя под высоким давлением направляется через сопловые аппараты 7, выполненные в диафрагме 8 или корпусе-статоре 1, по периметру (на чертеже - стрелка с одним штрихом), на лопасти 14 газовой турбины 13. Турбина вращается. Отработавший газ выходит через выходные сопла 16 (стрелка с двумя штрихами). И РСДВС, и газовая турбина работают на одном валу. На валу установлены подшипники 17.

В роторном секторном двигателе типа на газовую турбину направляется прерывистый поток горячих газов из четырех сопловых аппаратов, установленных через 90° по периметру корпуса-статора (фиг.5) с подачей силы потока горячих газов F. Рассмотрим работу сопряженной газовой турбины с роторным секторным двигателем.

Определим момент силы М относительно оси (вала) вращения (см. фиг.4) по формуле M=F·l (см. задачник по физике, А.Г.Чертов, А.А.Воробьев, М.Ф.Федоров, М., "Высшая школа, 1973, с.40, формула 1.77), где l - кратчайшее расстояние от оси вращения до линии действия силы F или M=F·r·sinα (см. там же, формула 1.78), где r - расстояние от оси вращения до точки приложения силы F, α - угол между направлением действия силы и радиусом-вектором r, проведенным от оси вращения к точке приложения силы. Принимаем приложение сил в одной точке в одном направлении и все время под углом, равным или стремящимся к 90°. Тогда M=F·r·l. В роторном секторном турбодвигателе с роторным секторным двигателем типа таких точек - 4. Принимаем КПД силы F на газовой турбине по патенту РФ №2147341 (см. в описании работу устройства на фиг.3), равным единице. В роторном секторном турбодвигателе принимаем КПД, равным 0,5. Будем считать F=2F', где F' - сила, приложенная к одной лопасти. Силы F' приложены к четырем лопастям (L) турбины (L_1÷4) (фиг.4, 5). Под приложением сил горячего газа продукта F'_1÷4 турбина поворачивается на угол 90°. На лопасть L₁ действует момент силы F'₁, равный M₁=F'₁·r. В это же время на лопасть L₂ действует сила F'₂, момент силы - M₂=F'₂·r. На лопасть L₃ соответственно действует момент М₃=F'₃·r, на лопасть L₄ - M₄=F'₄·r.

Итак, на лопасти турбины действовали моменты суммы сил F'_1÷4·r относительно оси вращения. Запишем поворот:

Общий момент сил, действовавших на вал турбины, на поворот на угол 90° составил

где T1÷T4 - точки приложения сил к лопастям.

Таким образом, на полный оборот вала турбины момент сил относительно оси вала турбины составил M₄=4·4·F'·r=16F'·r, где М₄ - сумма моментов сил относительно оси вала турбины с четырьмя сопловыми аппаратами.

Даже если сила F' приравнена к ¹/₂F, то на один оборот вала турбины будут действовать силы или приложено моментов сил

M₄=8Fr.

Определим работу (А) постоянного момента силы, действующего на вращающееся тело (турбину)

А=Мϕ (см. задачник по физике "Высшая школа" А.Г.Чертов и др., 1973, М., с.42 - таблица). Тогда A₄=8Frϕ, где А₄ - работа постоянного момента сил, действующих на турбину с четырьмя сопловыми аппаратами, где ϕ - поворот на один оборот: ϕ=2πN, где N - частота вращения.

Все расчеты ведутся на один оборот: ϕ=2·3,14·1 рад=6,28 рад. Подставим в полученное ранее: A₄=8·F·r·6,28; A₄≈48Fr кгсм (килограмм сила метр).

Теперь сравним с работой, выполненной четырьмя турбинами с подачей сил горячих газов через один сопловый аппарат (см. фиг.4). Момент сил относительно оси вращения одной газовой турбины с одним сопловым аппаратом: M₁=Fl, где M₁ - момент сил с одним сопловым аппаратом, значения F, r, sinα принимаем для всех расчетов равными. Считаем на один оборот вала. Работа, выполняемая четырьмя газовыми турбинами с одним сопловым аппаратом: 4A₁=4F·r·2·3,14·1; 4A₁≈24Fr, принимая работу сил потока горячих газов с коэффициентом, равным единице.

Сравним работу, выполненную одной газовой турбиной роторного секторного турбодвигателя с работой, выполненной четырьмя турбинами с одним сопловым аппаратом с приложением одинаковых сил потока горячих газов: A₄≈48Fr кгсм и 4A₁=24Fr кгсм (килограмм сила метр).

Роторный секторный турбодвигатель использует достоинства роторного секторного двигателя и газовой турбины, увеличивается мощность двигателя и улучшаются экономические качества, т.к. газовый поток дозируется и контролируется рабочими камерами РСД, обеспечивается более плавный ход роторного секторного турбодвигателя.

Одна газовая турбина в роторном секторном турбодвигателе (при равных исходных данных) будет иметь мощность не менее чем "n" газовых турбин с одним сопловым аппаратом (где "n" - количество основных секторов на РСДВС).

Роторный секторный турбодвигатель работает следующим образом.

Стартер вращает вал 3 РСДВС. Из впускных каналов 6 в составленные рабочие камеры 5 поступает готовая рабочая смесь. При вращении рабочие камеры превращаются в дозаторные камеры. С поворотом на величину одного заполняющего сектора дозаторные камеры в районе электрической свечи зажигания 9 преобразуются в камеры сгорания. Подается электрический ток, появляется искра, происходит вспышка топлива, импульс вспышки, далее следует расширение горячих газов, которые давят на передние стенки камер сгорания и передают вращательный момент диску ротора и, соответственно, крутящий момент валу двигателя. При дальнейшем повороте камеры сгорания 5 оказываются в районе исходящих сопел 7 РСДВС. Расширенный горячий газ под высоким давлением устремляется в сопловые аппараты 7, поток газов давит на лопасти 14 газовой турбины 13, заставляя ее вращаться. Газы давят (в РСДВС типа ) на лопасти 14 турбины на протяжении ˜90° одновременно со всех четырех сопловых аппаратов каждый, через исходящие сопла 16.

Весь этот процесс в роторном секторном турбодвигателе происходит одновременно во всех рабочих камерах.

Для увеличения времени выпуска продукта из РСДВС (при необходимости) применяются двигатели типа , причем дополнительный заполняющий сектор также имеет исходящее сопло. При применении многокомпонентной рабочей смеси и ее особых условий применения используются РСДВС типов или .

Несколько роторных секторных турбодвигателей размещаются на одном валу единого агрегата.

Роторные секторные турбодвигатели возможны для привода транспортных средств и на стационарных установках.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторным двигателям внутреннего сгорания. Изобретение позволяет повысить удельные показатели роторных секторных двигателей и газовых турбин. Роторный секторный турбодвигатель внутреннего сгорания содержит роторный секторный двигатель и газовую турбину. Двигатель имеет корпус-статор с полостью правильной цилиндрической формы, где на валу установлен диск ротора. Корпус-статор и диск ротора разбиты на основные секторы, основные секторы состоят из заполняющих секторов. На корпусе-статоре в основных секторах по заполняющим секторам выполнены элементы рабочих камер с впускными каналами, электрическими свечами зажигания и выпускными каналами. На диске ротора в заполняющих секторах выполнены элементы герметичных рабочих камер. При вращении элементы рабочих камер ротора и корпуса-статора последовательно составляются в камеры дозаторы с впускными каналами, в камеры сгорания со свечами зажигания и выпускными каналами, в которых протекают процессы двигателя внутреннего сгорания, причем во всех камерах и во всех основных секторах одновременно. Открытие и перекрытие впускных и выпускных каналов производятся диском ротора при его вращении. Полный оборот вала двигателя осуществляется при срабатывании количества камер сгорания на двигателе, равного квадрату количества основных секторов на двигателе, умноженному на количество заполняющих секторов в основном секторе. Роторный секторный двигатель и газовая турбина выполнены на одном валу. Потоки горячих газов из камер сгорания постоянной формы и постоянного объема роторного секторного двигателя под высоким давлением направляют на лопасти газовой турбины через сопловые аппараты, выполненные в корпусе-статоре или диафрагме, в количестве, равном количеству основных секторов на двигателе, которые равномерно рассредоточены по периметру корпуса-статора. Горячие газы направляются на газовую турбину прерывистыми порциями. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Роторный секторный турбодвигатель внутреннего сгорания, содержащий роторный секторный двигатель и газовую турбину, роторный секторный двигатель имеет корпус-статор с полостью правильной цилиндрической формы, где на валу установлен диск ротора, корпус-статор и диск ротора разбиты на основные секторы, основные секторы состоят из заполняющих секторов, на корпусе-статоре в основных секторах по заполняющим секторам выполнены элементы рабочих камер с впускными каналами, электрическими свечами зажигания и выпускными каналами, на диске ротора в заполняющих секторах выполнены элементы герметичных рабочих камер, при вращении элементы рабочих камер ротора и корпуса-статора последовательно составляются в камеры-дозаторы с впускными каналами, в камеры сгорания со свечами зажигания и выпускными каналами, в которых протекают процессы двигателя внутреннего сгорания, причем, во всех камерах и во всех основных секторах одновременно, открытие и перекрытие впускных и выпускных каналов производится диском ротора при его вращении, а полный оборот вала двигателя осуществляется при срабатывании количества камер сгорания на двигателе, равного квадрату количества основных секторов на двигателе, умноженному на количество заполняющих секторов в основном секторе, отличающийся тем, что роторный секторный двигатель и газовая турбина выполнены на одном валу, потоки горячих газов из камер сгорания постоянной формы и постоянного объема роторного секторного двигателя под высоким давлением направляются на лопасти газовой турбины через сопловые аппараты, выполненные в корпусе-статоре или диафрагме в количестве, равном количеству основных секторов на двигателе, которые равномерно рассредоточены по периметру корпуса-статора, при этом горячие газы направляются на газовую турбину прерывистыми порциями.2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что несколько роторных секторных турбодвигателей размещаются на одном валу единого агрегата.