СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ РОТОРНО-РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2008 года по МПК F02B55/04 

Изобретение относится к области создания роторных двигателей внутреннего сгорания (ДВС), а более конкретно к способу охлаждения рабочих элементов его конструкции.

При работе ДВС детали камер сгорания (КС) подвергаются значительным термическим нагрузкам, так как температура сгорания рабочей смеси достигает 2000°С и более. Для обеспечения нормальной работоспособности ЛВС их необходимо охлаждать. В роторном двигателе интенсивность теплового потока значительно выше, так как процесс горения рабочей смеси практически непрерывен. Поэтому вопрос о теплозащищенности деталей двигателя, а особенно деталей (элементов) ротора представляет собой первостепенную задачу.

В настоящее время для охлаждения ДВС используются в основном два способа:

1. Двигатель с наружной поверхности охлаждают набегающим потоком воздуха. Этот способ применяют для охлаждения маломощных и малогабаритных двигателей: мотоциклы, авиационные модели и др.

2. Значительно шире используют водяное охлаждение. Воду (или на ее основе специальные охлаждающие жидкости-антифризы) принудительно прокачивают по каналам, выполненным в толще стенки корпуса двигателя, и при этом за счет теплоемкости воды снимают часть тепла с корпуса, охлаждая его. Для повторного использования воду пропускают через радиатор, охлаждаемый потоком воздуха, где излишки тепла передают окружающей среде (воздуху). Эти способы, несмотря на их широкое применение в повседневной практике, мало эффективны, так как основаны на эффекте теплоемкости жидкости (у воздуха теплоемкость еще меньше) при ее нагреве в узком диапазоне температур, в основном от 50° до 100°С.

Необходимо отметить, что в охлаждении ЛВС участвует также и моторное масло, которое при работе двигателя также нагревается. В двигателях небольшой мощности для охлаждения моторного масла применяют накопительную емкость (картер), в которой создают условия для отвода тепла от масла в окружающую среду. В двигателях большей мощности используются масляные радиаторы.

В роторно-реактивном двигателе (РРД) (патент РФ №2291973) использовать в полной мере водяное охлаждение (воздушное тем более) в силу его конструктивных особенностей весьма затруднительно. Если охлаждение корпуса с помощью охлаждающей жидкости не вызывает никаких принципиальных вопросов, то охлаждение лопаток - самых теплонапряженных элементов ротора - вышеописанным способом имеет проблематичный характер по двум причинам:

1. Охлаждающую жидкость необходимо подводить к каналам в лопатках через вал ротора, вращающегося с большим числом оборотов (предположительно 10000 об/мин и более). Поэтому требуется надежная конструкция узлов уплотнения.

2. Охлаждающая жидкость в каналах лопаток будет находиться в поле действия значительных центробежных нагрузок, препятствующих прокачиванию жидкости по этим каналам. В результате потребуется более мощный водяной насос, а это еще больше ужесточает требования к узлам уплотнения.

В последнее время для уменьшения теплопотока в детали КС при сгорании рабочей смеси интенсивно разрабатывают следующий способ: в цилиндры двигателя нагнетают избыточное количество воздуха, то есть ДВС работает на обедненной рабочей смеси (превышение воздуха относительно стехиометрического числа - в два и более раз; журнал «Вокруг света» №3(2762), стр.154). В результате при сгорании рабочей смеси фактически нагревают избыточное количество воздуха и поэтому продукты горения имеют более низкую температуру, а следовательно, и более низкую термическую нагрузку на детали КС. Для реализации этого способа в обедненную рабочую смесь перед ее зажиганием впрыскивают в КС небольшую порцию горючего такими образом, что она создает турбулентный поток вокруг свечи. Концентрация горючего в районе свечи повышается, что и способствует устойчивому процессу зажигания рабочей смеси. Реализация этого способа в РРД весьма затруднительна, так как в отличие от ДВС рабочая смесь постоянно находится в движении, и поэтому создать зону с повышенной концентрацией горючего в районе свечи не представляется возможным.

Известен так же способ охлаждения продуктов горения рабочей смеси с использованием эффекта поглощения тепла при парообразовании (Г.Н.Алексеев, Общая теплотехника, Москва, Высшая школа,1980 г., стр.353). Действительно, для нагрева 1 г воды с 50° до 100°С требуется 50 кал. тепловой энергии, в то время как для испарения того же количества воды при нормальных условиях требуется уже 540 кал., то есть на порядок больше. В приведенном способе в КС воду вводят в периферийную зону пламени горения рабочей смеси, испаряют ее, перемешивая с продуктами горения, а затем охлажденную таким образом смесь паров воды и продуктов горения (парогаз) подают на исполнительный механизм-турбину или поршневую расширительную машину. Однако и этот способ применить для охлаждения ротора РРД затруднительно в основном из-за проблем, связанных с поджиганием и горением рабочей смеси.

Вышеописанный способ, как наиболее близкий к предлагаемому изобретению, принят в качестве прототипа.

Изобретение относится к области создания роторных ДВС.

Технической задачей изобретения является разработка способа охлаждения наиболее теплонапряженных деталей РРД, позволяющего преодолеть недостатки прототипа.

Задача решается путем подачи охлаждающей жидкости в рабочий объем двигателя на конструктивные элементы ротора (лопатки). На фиг.1 показана конструкция двигателя и пример одной из возможных реализаций данного изобретения. Позиции 1 соответствует корпус двигателя, 2 - свеча зажигания, 3, 6, 10 - лопатки ротора 4, 5 - выпускное отверстие, 9 - впускное отверстие, 7 - форсунка. При работе двигателя в секторе между выпускным и впускным отверстиями с помощью форсунки 7 создают туманно-капельную среду 8 из охлаждающей жидкости, с помощью которой, превращая ее в перегретые пар, охлаждают элементы ротора. Перегретый пар вращением ротора подают к входному отверстию 9 и дальше перемешивают его с подаваемым потоком газов (рабочей смесью). Полученную таким образом смесь газов будет достаточно нагрета, а содержащаяся в ней вода находится в состоянии перегретого пара, то есть ее теплоемкость значительно ниже жидко-капельного состояния, при котором вода используется в прототипе. Это позволяет существенно облегчить процесс воспламенения и горения рабочей смеси.

Естественно возникает вопрос, какой должен быть расход охлаждающей жидкости?

Проведем оценку этого расхода. Так как РРД еще не создан и нет никаких его реальных технических характеристик, то расчет, естественно, будет основываться на серии допущений.

Примем, что в РРД - количество тепла, уносимое с уходящими газами, такое же как в карбюраторных ДВС, и составляет 40%, а полезно используемая тепловая энергия (КПД) как у хорошего дизельного ДВС - 35% (Г.Н.Алексеев, Общая теплотехника, Москва, Высшая школа, 1980 г., стр.479). Остающиеся 20% приходятся на нагрев КС. Примем также, что ротор имеет 6 лопаток, то есть в сечении каждая КС представляет собой равносторонний треугольник. В этом случае на долю корпуса придется 1/3 теплового потока, а на ротор - 2/3 или 13%. Теплота сгорания бензина равна 4,4 Дж/кг или 10500 кал./г. При сгорании 1 г бензина ротор должен воспринимать 18370 кал. тепла. Принимая во внимание, что теплоемкость пара равна 0,5 кал./град.г., а материал лопаток может нормально работать при температуре 700°С, необходимое количество охлаждающей жидкости будет порядка 1 г. Таким образом, сугубо приближенный оценочный расчет показывает, что для охлаждения лопаток ротора необходимо затратить количество охлаждающей жидкости соизмеримое с количеством используемого горючего.

Необходимо так же отметить, что снимая с лопаток ротора излишек тепла и превращаясь в пар, охлаждающая жидкость становится рабочим телом, участвующим наряду с газами горения рабочей смеси в выработке механической энергии. То есть снятое с лопаток тепло не расходуется бесполезно, нагревая атмосферу, как в существующих способах, а повторно используется. Естественно, при этом увеличивается КПД двигателя и экономится горючее. Кроме того, в РРД пары охлаждающей жидкости, попадая в камеру сгорания, способствуют повышению температуры рабочей смеси и тем самым улучшают процесс ее горения. В РРД со стационарной камерой сгорания непрерывного действия пары охлаждающей жидкости снижают температуру горючих газов, улучшая тепловой баланс двигателя, но при этом давление и энтальпия газов возрастает за счет массы паров охлаждающей жидкости. И как это было отмечено выше, все это приводит к увеличению КПД двигателя. По предварительным оценкам увеличение КПД составляет 2-3%, что и не так мало, если учесть уровень КПД существующих в настоящее время ДВС.

Необходимо отметить также, что охлаждающая жидкость наряду со своей непосредственной функцией - охлаждение деталей двигателя - может одновременно выступать и в качестве смазки поверхностей скольжения. А это и упрощение конструкции узлов уплотнения и экономия масла, а в конечном итоге улучшение технико-экономических показателей двигателя.

По нашему мнению, принципиальных трудностей в технической реализации данного предложения нет. Вполне возможно установить на АВТО дополнительный бак для охлаждающей жидкости. Конечно, это и дополнительный вес и уменьшение полезного объема АВТО и дополнительный расход средств на приобретение охлаждающей жидкости. Но учитывая положительный эффект от внедрения РРД в повседневную практику и небольшую стоимость, например, дистиллированной воды по сравнению с бензином и моторным маслом, предложенный способ найдет самое широкое применение в конструкциях ДВС будущего.

Способ охлаждения элементов роторно-реактивного двигателя внутреннего сгорания основан на использовании охлаждающей жидкости. Охлаждающую жидкость подают в рабочий объем двигателя на конструктивные элементы ротора и на их поверхностях испаряют ее, а полученный пар смешивают с потоком газов, подаваемых через впускное отверстие. Использование изобретения позволит повысить КПД. 1 ил.

Способ охлаждения элементов роторно-реактивного двигателя внутреннего сгорания, основанный на использовании охлаждающей жидкости, отличающийся тем, что охлаждающую жидкость подают в рабочий объем двигателя на конструктивные элементы ротора и на их поверхностях испаряют ее, а полученный пар смешивают с потоком газов, подаваемых через впускное отверстие.