РОТОРНЫЙ КОНУСНО-ВИНТОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2009 года по МПК F01C3/08 

Область техники

Изобретение относится к машиностроению, преимущественно к двигателестроению, а именно к тепловым двигателям роторного типа с непараллельными осями, и может найти применение как источник механической энергии в транспортных средствах и различного рода энергетических установках, а в частичном виде как компрессор газа, либо газовый двигатель.

Предшествующий уровень техники

Известен газотурбинный двигатель внутреннего сгорания, газодинамического типа, работающий с подводом теплоты при постоянном давлении и состоящий из компрессора, камеры сгорания, а также турбины привода компрессора и силовой турбины. Рабочее тело (воздух) сжимается компрессором, поступает в камеру сгорания, где нагревается при постоянном давлении за счет реакции горения топлива, подаваемого в камеру сгорания, и далее, расширяясь и ускоряясь, совершает работу, сообщая крутящий момент и вращательное движение турбине привода компрессора и силовой турбине. Взаимодействие рабочего тела с лопатками турбин и компрессора основывается на аэродинамических явлениях, возникающих при обтекании газами профилированных поверхностей. К преимуществам данного двигателя относятся высокая удельная (по массе) мощность, компактность, полная уравновешенность, низкая токсичность, многотопливность, плавная работа с отсутствием пульсаций момента, оптимальный вид внешней скоростной характеристики, высокая продолжительность интервалов между обслуживанием. Повышение КПД на данном двигателе достигается увеличением давления, развиваемого компрессором, повышением температуры газов на выходе камеры сгорания, а также частичной регенерацией остаточной теплоты отработавших газов. Весь комплекс перечисленных мероприятий требует усложнения конструкции включением новых устройств и ведет к общему утяжелению конструкции, а в сочетании с необходимостью применения самых современных материалов и технологий приводит к значительному удорожанию готовых изделий. Кроме того, к недостаткам данного двигателя можно отнести неудовлетворительную работу в переходных и неустановившихся режимах, сравнительно высокий удельный расход топлива, приведенный к энергии, снимаемой с силовой турбины, узость рабочего диапазона, обеспечивающего максимум КПД, неприменимость в маломощных установках.

Кроме описанного, известны нагнетающие устройства объемного типа, такие как Wankel, Zoller и Powerplus, нагнетатели конструкций Лисхольма, Рутса, G-образный фирмы Фольксваген, а также героторные насосы Муано.

Нагнетание в перечисленных устройствах происходит за счет образования и наполнения газом объемных полостей (капсул), ограниченных движущимися телами и корпусом, с их последующей изоляцией от впускного тракта и вытеснением газа из указанных капсул в выходную нагнетательную полость за счет геометрического уменьшения объема капсулы, заключенного между вытесняющими телами. Наличие ограниченного количества изолированных капсул при их последовательном открытии в нагнетательную полость обуславливают возникновение в последней пульсации давления, степень которой может различаться от одного устройства к другому и зависит от их конструктивных особенностей. В силу предварительного сжатия капсул перед их открытием в нагнетательную полость, наименьшей пульсацией давления отличается спиральный нагнетатель фирмы Фольксваген G-Lader и винтовые компрессоры Лисхольма.

Нагнетающие устройства, применяемые в современном машиностроении, можно классифицировать следующим образом:

1. Газодинамического типа:

1.1. Аэродинамические вентиляторного типа:

1.1.1. Осевые лопаточные:

1.1.2. Центробежные:

1.2. Энергообменные (Comprex);

2. Объемного типа:

2.1. Поршневые;

2.2. Шиберные (Zoller, Powerplus, Shorrock, Pierburg, Bendix);

2.3. Роторные:

2.3.1. Однороторные (Wankel);

2.3.2. Двуроторные с параллельными роторами шестеренчатого типа (Roots);

2.3.3. Двуроторные с параллельными роторами винтового типа (Lisholm);

2.3.4. Двухроторные с вложенными роторами винтового типа (героторные насосы Муано);

2.4. Спиральные нагнетатели фирмы Фольксваген (G-Lader).

Любое нагнетающее устройство может быть обращено в двигатель, но в силу конструктивных причин, а также ввиду незначительности развиваемых эффективных рабочих давлений в настоящее время подобные конструкции устройств роторного типа не вышли за рамки макетов и экспериментальных образцов, примеры коммерческого применения автору не известны.

Кроме описанных выше устройств известен роторно-волновой двигатель объемного типа конструкции Седунова И.П. (RU, патент 2155272 С1, кл. F02В 55/00, 53/08), содержащий ротор, установленный в корпусе, включающем впускное и выпускное окно, компрессорный и расширительный отсеки и камеру сгорания, отличающийся тем, что внутренняя поверхность корпуса выполнена в виде обращенных навстречу вершинами и лежащих на одной оси пары винтовых конусов подобно поверхности ротора, установленного под углом к оси корпуса, и не менее двух опорных узлов, при этом любая точка на винтовой линии ротора, кроме центральной, в которой частота и амплитуда колебаний равна нулю, выполнена с возможностью совершать равные угловые колебания относительно осевой линии корпуса, а в целом - обеспечения ротору возможности вращения с одновременным планетарным перекатыванием по внутренним огибающим корпуса. К достоинствам описываемого двигателя можно отнести:

1. Возможность реализации продолженного расширения рабочего тела, которое ведет к повышению КПД, снижает шумность работы и позволяет отказаться от глушителей.

2. Полную общую уравновешенность двигателя.

3. Плавность работы за счет равномерного крутящего момента.

Прототип

Исходя из общности основного геометрического принципа формирования и преобразования объемных полостей (капсул), наиболее близким к предлагаемому является роторно-волновой двигатель конструкции Седунова (RU, патент 2155272 С1, кл. F02В 55/00, 53/08). В этой связи указанный двигатель выбран в качестве прототипа.

К недостаткам данного двигателя можно отнести наличие сложного планетарно-перекатывающегося движения ротора, которое ограничивает максимальные обороты двигателя, а значит и его мощность, а также требует дополнительных уравновешивающих элементов (противовесов). Кроме того, для обеспечения сложного характера движения ротора в опорном узле применены крейцкопфные и поводковые механизмы, являющиеся сферическими аналогами бесшатунных механизмов, запатентованных еще Фрэнком Кери в патенте US №441932 от 2 декабря 1890 г. и тщательно доработанных и развитых Баландиным С.С. Наличие избыточной связи предъявляет повышенные требования к точности изготовлении и культуре сборки бесшатунных устройств. Даже при незначительных неточностях изготовления избыточные связи могут проявить себя источником весьма существенных напряжений в зонах контакта подвижных элементов, что способствует дополнительным механическим потерям и быстрому износу.

Необходимо также отметить, что применение крейцкопфного опорно-синхронизирующего механизма позволяет реализовать устройство только с количеством заходов навивки n₁=1 для винтовой рабочей поверхности ротора и n₂=2 для винтовой рабочей поверхности корпуса.

Цель изобретения

Целью настоящего изобретения является при сохранении всех достоинств прототипа обеспечить:

1. Повышение надежности;

2. Повышение максимальных оборотов;

3. Полное уравновешивание двигателя без участия специальных механических элементов;

4. Улучшение мощностных и массогабаритных характеристик;

5. Реализацию устройства с количествами заходов навивки рабочих поверхностей конусно-винтовых элементов n₁>1 и n₂>2;

6. Упрощение конструкции двигателя.

В соответствии с изобретением цели достигаются передачей несущих функций от неподвижного наружного конусно-винтового элемента, который в прототипе выполняет роль корпуса, третьему элементу, при этом и наружный конусно-винтовой элемент и внутренний приобретают возможность совершать вращательное движение в подшипниках неподвижного третьего элемента - корпуса вокруг непараллельных осей, имеющих общую точку. Такая компоновка основных элементов конструкции позволяет иметь только вращательные движения внутреннего и наружного конусно-винтовых элементов и таким образом избавиться от конусного планетарно-перекатывающегося движения ротора внутри корпуса в прототипе, что способствует повышению максимальных оборотов рабочих элементов, а значит и повышению максимальной мощности двигателя. Синхронизация вращения конусно-винтовых элементов может быть обеспечена либо конусной зубчатой передачей внутреннего зацепления, либо самостоятельным взаимным самоустановлением конусно-винтовых элементов, винтовые рабочие поверхности которых изначально имеют принципиальное сходство с упомянутой передачей. Устранение крейцкопфного и поводкового механизмов синхронизации, создающих избыточные связи, позволяет избавиться от паразитных сил, что положительным образом сказывается на надежности и долговечности двигателя. В отсутствие крейцкопфного механизма, накладывающего ограничение на количество заходов навивки винтовых рабочих поверхностей конусно-винтовых элементов, становится возможным реализовать многозаходные формы винтовых рабочих поверхностей конусно-винтовых элементов с передаточным отношением, отличным от 1:2.

Для достижение цели изобретения роторный конусно-винтовой двигатель, содержащий расположенные под углом друг к другу внутренний и наружный конусно-винтовые элементы, каждый из которых имеет нагревательную секцию, а также нагнетательную и расширительную секции, имеющие винтовые рабочие поверхности, которыми элементы соприкасаются друг с другом по замкнутым в пространстве линиям, образуя ряд изолированных друг от друга винтообразно пузыревидных полостей, объем и положение которых изменяются при рабочем изменении взаимного положения элементов, количество заходов винтовой рабочей поверхности в нагнетательной секции любого из элементов равняется количеству заходов винтовой рабочей поверхности в его расширительной секции, количество заходов n₂ винтовой рабочей поверхности наружного элемента на единицу превышает количество заходов n₁ винтовой рабочей поверхности внутреннего элемента, отличается тем, что внутренний и наружный конусно-винтовые элементы расположены в неподвижном корпусе, опираются на него через подшипники и имеют возможность совершать взаимосвязанное одностороннее вращение, синхронизация вращения конусно-винтовых элементов осуществляется посредством зубчатой передачи, направление навивки винтовой рабочей поверхности в нагнетательной секции любого из конусно-винтовых элементов совпадает с направлением навивки винтовой рабочей поверхности в его расширительной секции, навивки винтовых рабочих поверхностей внутреннего и наружного конусно-винтовых элементов совпадают по направлению, сферические сечения винтовых рабочих поверхностей, имеющие общую центральную точку, представляют собой образующие, масштабированные и повернутые вокруг осей соответствующих конусно-винтовых элементов, навивка винтовой рабочей поверхности нагнетательной секции наружного конусно-винтового элемента содержит не менее одного полного оборота, навивка винтовой рабочей поверхности расширительной секции наружного конусно-винтового элемента содержит не менее одного полного оборота.

Таким образом, предлагаемые изменения компоновки и кинематики значительно упрощают конструкцию двигателя в целом. При этом сохраняется основной геометрический принцип образования объемных полостей (капсул), служащих для преобразований параметров рабочего тела.

Описание иллюстраций

Графические пояснения конструктивных принципов и принципов работы предлагаемого механизма представлены на иллюстрациях:

Фиг.1. Корпус двигателя (вид спереди).

Фиг.2. Корпус двигателя (вид сзади).

Фиг.3. Корпус двигателя сечение А-А (вид слева).

Фиг.4. Корпус двигателя (изометрический вид).

Фиг.5. Наружный конусно-винтовой элемент двигателя (вид спереди).

Фиг.6. Наружный конусно-винтовой элемент двигателя (вид сзади).

Фиг.7. Наружный конусно-винтовой элемент двигателя - сечение (вид слева).

Фиг.8. Наружный конусно-винтовой элемент двигателя (вид слева).

Фиг.9. Наружный конусно-винтовой элемент двигателя рассеченный (изометрический вид).

Фиг.10. Внутренний конусно-винтовой элемент двигателя (вид спереди).

Фиг.11. Внутренний конусно-винтовой элемент двигателя (вид сзади).

Фиг.12. Внутренний конусно-винтовой элемент двигателя - сечение (вид слева).

Фиг.13. Внутренний конусно-винтовой элемент двигателя (вид слева).

Фиг.14. Внутренний конусно-винтовой элемент двигателя (изометрический вид).

Фиг.15. Общий вид двигателя (вид спереди).

Фиг.16. Общий вид двигателя (вид сзади).

Фиг.17. Общий вид двигателя (вид слева).

Фиг.18. Общий вид двигателя (изометрический вид).

Фиг.19. Сечение двигателя без внутреннего конусно-винтового элемента (вид слева).

Фиг.20. Сечение двигателя с не рассеченным внутренним конусно-винтовым элементом (вид слева).

Фиг.21. Сечение двигателя (вид слева).

Фиг.22. Образующие (вид спереди).

Фиг.23. Образующие (вид слева).

Фиг.24. Образующие (вид сверху).

Фиг.25. Образующие (изометрический вид).

Фиг.26. Винтообразно пузыревидная полость в контакте с винтовой рабочей поверхностью внутреннего конусно-винтового элемента (вид справа).

Фиг.27. Винтообразно пузыревидная полость (вид справа).

Фиг.28. Винтообразно пузыревидная полость в контакте с винтовой рабочей поверхностью внутреннего конусно-винтового элемента (вид сверху).

Фиг.29. Винтообразно пузыревидная полость (вид сверху).

Фиг.30. Винтообразно пузыревидная полость в контакте с винтовой рабочей поверхностью внутреннего конусно-винтового элемента (вид спереди).

Фиг.31. Винтообразно пузыревидная полость (вид спереди).

Фиг.32. Винтообразно пузыревидная полость в контакте с винтовой рабочей поверхностью внутреннего конусно-винтового элемента (изометрический вид).

Фиг.33. Винтообразно пузыревидная полость (изометрический вид).

Фиг.34. Индикаторная диаграмма.

Обозначения на иллюстрациях

1. Корпус в сборе.

2. Элемент корпуса верхний.

3. Элемент корпуса нижний.

4. Ступица передняя.

5. Ступица задняя.

6. Конусно-винтовой элемент наружный.

7. Нагнетательная секция наружного конусно-винтового элемента.

8. Расширительная секция наружного конусно-винтового элемента.

9. Нагревательная секция наружного конусно-винтового элемента с теплоизоляцией.

10. Дисковая крышка передняя в сборе наружного конусно-винтового элемента.

11. Дисковая крышка задняя наружного конусно-винтового элемента.

12. Подшипник передний наружного конусно-винтового элемента.

13. Подшипник задний наружного конусно-винтового элемента.

14. Шестерня наружного конусно-винтового элемента синхронизирующая.

15. Конусно-винтовой элемент внутренний.

16. Нагнетательная секция внутреннего конусно-винтового элемента.

17. Расширительная секция внутреннего конусно-винтового элемента.

18. Нагревательная секция внутреннего конусно-винтового элемента с теплоизоляцией.

19. Шестерня внутреннего конусно-винтового элемента синхронизирующая.

20. Ось внутреннего конусно-винтового элемента в сборе.

21. Подшипник передний внутреннего конусно-винтового элемента.

22. Подшипник задний внутреннего конусно-винтового элемента.

23. Начальный конус наружного конусно-винтового элемента.

24. Начальный конус внутреннего конусно-винтового элемента.

25. Начальная окружность наружного конусно-винтового элемента.

26. Начальная окружность внутреннего конусно-винтового элемента.

27. Образующая наружного конусно-винтового элемента.

28. Образующая внутреннего конусно-винтового элемента.

29. Точка касания образующих.

30. Форма винтообразно-пузыревидной полости.

31. Линия касания рабочих поверхностей.

Описание изобретения

Двигатель представляет собой два конусно-винтовых элемента. Внутренний конусно-винтовой элемент 15 (Фиг.20) располагается внутри наружного конусно-винтового элемента 6 (Фиг.19), вращающихся в подшипниках 21, 22, 12, 13 (Фиг.3) корпуса 1 в сборе (Фиг.4), вокруг осей, пересекающихся под определенным углом в центральной точке. Конусно-винтовые элементы образуют друг с другом ряд винтообразно пузыревидных полостей 30, Фиг.33. Винтообразно-пузыревидные полости заперты между винтовыми рабочими поверхностями и герметизированы по замыкающимся в пространстве линиям 31 касания винтовых рабочих поверхностей конусно-винтовых элементов. Винтовые рабочие поверхности имеют взаимоогибающую геометрическую форму, то есть находятся в постоянном касании при любом взаимосвязанном повороте конусно-винтовых элементов. Наружный конусно-винтовой элемент состоит из трех секций: нагнетательной 7, расширительной 8 и соединяющей их нагревательной 9 (Фиг.7). Внутренний конусно-винтовой элемент также состоит из трех секций: нагнетательной 16, расширительной 17 и соединяющей их нагревательной 18 (Фиг.13). При работе двигателя конусно-винтовые элементы вращаются вокруг своих осей и подобно шнекам завинчивают пузыри газообразного рабочего тела своими винтовыми рабочими поверхностями в нагнетательной части двигателя. Далее рабочее тело поступает в пространство, заключенное между нагревательными секциями конусно-винтовых элементов, образующее нагревательную камеру, после нагрева в которой, совершает работу, свинчиваясь между винтовыми рабочими поверхностями расширительных секций конусно-винтовых элементов. При завинчивании газообразного рабочего тела между винтовыми рабочими поверхностями нагнетательных секций конусно-винтовых элементов, сжатие происходит за счет уменьшения геометрических размеров винтообразно пузыревидных полостей (капсул), заключенных между конусно-винтовыми элементами, по трем измерениям в пространстве. При вывинчивании винтообразно пузыревидных полостей между расширительными секциями конусно-винтовых элементов рабочее тело в них расширяется. Винтовые рабочие поверхности расширительных секций конусно-винтовых элементов испытывают давление газов, заключенных в винтообразно пузыревидных полостях. Результирующие сил давления газов на винтовые рабочие поверхности, перекрещиваясь с осями соответствующих конусно-винтовых элементов, вызывают на последних образование крутящих моментов. Часть моментов сообщается нагнетательным секциям на преодоление сил реакции сжимаемого газа, другая часть совершает работу, передавая вращение через трансмиссию к внешнему потребителю механической энергии. Синхронизация вращения конусно-винтовых элементов осуществляется конусными шестернями: шестерней 14 внутреннего зацепления (Фиг.7) и шестерней 19 (Фиг.13). Механизм синхронизации требуется, чтобы предотвратить непосредственный контакт между винтовыми рабочими поверхностями конусно-винтовых элементов, который может способствовать интенсивному износу.

Несмотря на компоновочное сходство конусно-винтового двигателя с обычным газотурбинным двигателем, рабочий процесс его более близок к рабочему процессу поршневого двигателя. Индикаторная диаграмма при установившемся режиме работы, представленная на Фиг.34, будет несколько отличаться от таковой для поршневого двигателя. Эту диаграмму можно условно разделить на пять участков. Первый участок описывается линией А-В и показывает процесс формирования винтообразно пузыревидной полости и наполнения ее рабочим телом. Давление на первом участке Р_AB несколько меньше атмосферного Р_атм в силу сопротивления, оказываемого фильтрующими элементами впускного тракта. В момент, которому соответствует точка В (Фиг.34), когда винтообразно пузыревидная полость полностью сформировалась, приобрела объем V_ВП и герметически изолировалась (замкнулась), начинается второй участок индикаторной диаграммы, описываемый кривой линией В-С, на котором происходит предварительное сжатие рабочего тела в уменьшающейся винтообразно пузыревидной полости нагнетательной части двигателя. В момент, которому соответствует точка С (Фиг.34), когда винтообразно пузыревидная полость открывается в нагревательную камеру и имеет объем V_СЖ и давление Р_С, начинается третий участок, описываемый линией С-С'-D. На третьем участке происходит выдавливание рабочего тела из расформировывающейся винтообразно пузыревидной полости нагнетательной части двигателя в нагревательную камеру и одновременное с ним формирование и заполнение рабочим телом винтообразно пузыревидной полости в расширительной части двигателя, поэтому объем на третьем участке индикаторной диаграммы можно считать постоянным, в то время как давление будет испытывать пульсации. Эти пульсации связаны с тем, что когда винтообразно пузыревидная полость нагнетательной части двигателя сообщается с нагревательной камерой, она содержит рабочее тело, которое еще не прогрето, поэтому его давление Р_С меньше, чем давление Р_D уже прогретого рабочего тела, находящегося в нагревательной камере. Часть газов из нагревательной камеры устремляется внутрь винтообразно пузыревидной полости, и давления их выравниваются до некоторого давления Р_С'. По мере прогрева газов, выдавливаемых из винтообразно пузыревидной полости нагнетательной части двигателя, давление повышается до значения P_D, когда заканчивается формирование очередной винтообразно пузыревидной полости между винтовыми рабочими поверхностями расширительных секций конусно-винтовых элементов и происходит ее герметическая изоляция (замыкание), а также вскрытие в нагревательную камеру следующей винтообразно пузыревидной полости из нагнетательной части двигателя. Весьма важной особенностью двигателя является то, что при реализации многозаходных винтовых рабочих поверхностей с нагревательной секцией в одновременном сообщении, но в разных фазах находятся несколько винтообразно пузыревидных полостей нагнетательной части двигателя и несколько винтообразно пузыревидных полостей части расширительной. В момент, которому соответствует точка D (Фиг.34), когда полностью сформировалась винтообразно пузыревидная полость расширительной части двигателя и герметически изолировалась (замкнулась) от нагревательной камеры, начинается четвертый участок, описываемый линией D-E индикаторной диаграммы (Фиг.34). На этом участке рабочие газы, заключенные внутри расширяющейся винтообразно пузыревидной полости расширительной части двигателя, совершают механическую работу, оказывая давление на стенки расширительных секций конусно-винтовых элементов и отдавая определенную часть сообщенной им ранее энергии. Теоретически, расширение можно осуществлять полностью, то есть до атмосферного давления, и тогда будет использована практически вся энергия рабочего тела, доступная к извлечению в виде работы, однако по компоновочным соображениям реализация полного расширения представляется затруднительной, поэтому можно ограничиться неполным продолженным расширением. В момент, которому соответствует точка Е индикаторной диаграммы, когда объем расширяющейся винтообразно пузыревидной полости становится равным V_ВЫП, происходит ее вскрытие в выпускную систему двигателя, давление в ней резко снижается практически до атмосферного, что отражается пятым участком E-F индикаторной диаграммы. Весьма существенным представляется условие V_ВЫП>V_ВП, которое обеспечивает выполнение двигателем рабочего цикла с продолженным расширением, а следовательно, и повышение термодинамического КПД цикла. После вскрытия, винтообразно пузыревидная полость, расформировываясь и уменьшаясь в объеме до нуля, вытесняет остатки отработавших газов в систему выпуска двигателя под давлением Р_FG, которое несколько выше атмосферного Р_атм, по причине сопротивления, оказываемого выпускным трактом, что отражается на шестом участке FG индикаторной диаграммы. Работа одной порции газа, прошедшей через двигатель в установившемся режиме, определяется разностью большой и малой площадей, заключенных внутри замкнутой петлевой фигуры, описанной линиями A-B-C-D-E-F-G-A индикаторной диаграммы (Фиг.34).

Формообразование винтовых рабочих поверхностей конусно-винтовых элементов опирается на понятийный аппарат теории зубчатых передач, взятый из раздела формообразования конусных зубчатых передач, рассматривающего так называемые «начальные конусы», служащие для целей моделирования конусной передачи и при построениях геометрии зуба. Начальный конус 23 наружного конусно-винтового элемента и начальный конус 24 внутреннего конусно-винтового элемента представлены на-Фиг.25. Касательное перекатывание начальных конусов считается происходящим без проскальзывания. Множества точек, которые принадлежат начальным конусам и равноудалены от общей для конусов вершины (центральной точки), представляют собой две касающиеся друг друга «начальные окружности» 25 и 26, лежащие в разных плоскостях, радиусы которых соотносятся в пропорции, равной передаточному числу конической передачи. Геометрические построения образующих сечений зубьев кривых осуществляются от этих начальных окружностей с использованием методов сферической геометрии. Автором разработан математический алгоритм параметрического описания сферических кривых, образующих рабочие поверхности конусно-винтовых элементов. Алгоритм весьма пространен, поэтому в описании изобретения могут быть изложены только основные понятия и принципы построения образующих 27 и 28 (Фиг.22) и винтовых рабочих поверхностей.

Множество точек винтовых рабочих поверхностей, равноудаленных от центральной точки, имеет вид двух сферических кривых лепестковой формы.(далее по тексту образующие винтовых рабочих поверхностей конусно-винтовых элементов или просто образующие 27 и 28). Образующие 27 и 28, лежащие на одной сферической поверхности с центром в центральной точке, имеют следующие особенности:

1. Образующие являются замкнутыми в пределах одного оборота по поверхности сферы вокруг соответствующей конусно-винтовому элементу оси.

2. Образующие имеют угловую периодичность (количество периодов на один оборот равно количеству лепестков).

3. Один период образуется чередованием вогнутого и выпуклого участков.

4. Образующие винтовых рабочих поверхностей конусно-винтовых элементов в одном и том же сферическом сечении имеют взаимоогибающую форму, то есть находятся в постоянном касании в точках 29 друг с другом, но друг с другом не пересекаются.

5. Образующие не пересекаются сами с собой.

6. Количество лепестков наружной образующей равно количеству n₂ заходов винтовой рабочей поверхности наружного конусно-винтового элемента и на единицу больше, чем у образующей внутренней, количество лепестков которой равно количеству n₁ заходов винтовой рабочей поверхности внутреннего конусно-винтового элемента.

7. Образующие конусно-винтовых элементов в одном и том же сферическом сечении строятся методами сферической геометрии от начальных окружностей 25 и 26, соотносящихся диаметрами D₁ и D₂ в пропорции n₁:n₂.

8. Внутренняя образующая отсекает в наружной несколько изолированных замкнутых лоскутов (площадей) сферической поверхности, ограниченных участками образующих, заключенными между точками 29 их взаимного касания (Фиг.22) при любом взаимосвязанном повороте конусно-винтовых элементов.

Винтовые рабочие поверхности получаются вытяжкой образующих кривых с непрерывным и монотонным поворотом и масштабированием вдоль осей соответствующих им конусно-винтовых элементов. Образование винтовых рабочих поверхностей подчиняется следующим принципам:

1. При непрерывном изменении в выбранную сторону удаления R (равного радиусу секущей сферы) образующие испытывают непрерывные преобразования гомотетии (подобия), пропорциональные величине удаления R, являющегося в данном случае. аргументом.

2. При непрерывном изменении аргумента R, образующие монотонно поворачиваются в одну и ту же сторону от стартового положения на углы, приращения которых Δϕ₁ для внутреннего конусно-винтового элемента и Δϕ₂ для наружного находятся в соотношении Δϕ₂=(n₁/n₃)·Δϕ₁.

3. При непрерывном изменении аргумента R, образующие могут изменять форму только за счет изменения соотношения между угловыми участками вогнутости и выпуклости лепестков, но при этом количество лепестков всегда остается постоянным.

4. Одна замкнутая винтообразно пузыревидная полость формы 30 (Фиг.27) может образовываться только в пределах одного полного оборота навивки винтовой рабочей поверхности наружного конусно-винтового элемента, при этом навивка винтовой рабочей поверхности внутреннего конусно-винтового элемента включает n₂/n₁ оборотов.

В целях оптимального использования пространства и сохранения угла наклона ручья навивки постоянным на всем протяжения формообразования винтовой рабочей поверхности, для угла ϕ поворота образующей от стартового положения, необходимо обеспечить выполнение условия dϕ/dR·R=const, которое отражает необходимость уменьшения шага навивки, пропорционального уменьшению аргумента R. Интегрирование этого выражения дает логарифмическую зависимость угла поворота образующей соответствующего конусно-винтового элемента от аргумента R. Зависимости будут иметь вид ϕ₂=Log_Кнар(R)+ϕ₀₂ и ϕ₁=Log_Квн(R)+ϕ₀₁, где К_нар и К_вн - некие взаимосвязанные коэффициенты, определяющие требуемые углы наклона ручьев навивки винтовых рабочих поверхностей. Параметрическое описание изменения удаления и соответствующих ему углов поворота образующих может быть описано уравнениями; ϕ₂(t)=ϕ₀₂+2·π·t, ϕ₁(t)=ϕ₀₁+2·π·t·n₂/n₁, R(t)=R₀·(k)^t, где ϕ₁ - угол поворота образующей внутреннего конусно-винтового элемента, ϕ₂ - угол поворота образующей наружного конусно-винтового элемента, ϕ₀₁ - начальный угол поворота образующей внутреннего конусно-винтового элемента, ϕ₀₂ - начальный угол поворота образующей наружного конусно-винтового элемента, R₀ - начальный радиус сферы, несущей образующую (удаление), k - коэффициент уменьшения удаления, соответствующий одному полному обороту образующей наружного конусно-винтового элемента, t - параметр, соответствующий количеству полных оборотов образующей наружного конусно-винтового элемента. Зависимости углов поворота можно переписать в виде: ϕ₂(t)=ϕ₀₂+k₂·t, ϕ₁(t)=ϕ₀₁+k₁·t, где k₂ - коэффициент угла поворота образующей винтовой рабочей поверхности наружного элемента, k₁ - коэффициент угла поворота образующей винтовой рабочей поверхности внутреннего конусно-винтового элемента. k₁₂=2·π·n₂/n₁, k₂=2·π и таким образом k₁ и k₂ связаны соотношением k₁/k₂=n₂/n₁ или k₁=k₂·n₂/n₁.

Подвод тепла к газообразному рабочему телу в нагревательной части двигателя можно осуществлять различными способами. Это может быть и сжигание топлива в смеси с воздухом в камере сгорания, и лучистый подвод теплоты от солнечных концентраторов к внутренним теплообменникам, и использование энергии ядерного распада в сменных тепловых кассетах. При любых вариантах подвода теплоты возможно повышение удельной мощности устройства подъемом давления циркулирующего через него рабочего тела, в первом случае за счет турбонаддува, во втором и третьем - за счет повышения давления в замкнутом газовом контуре.

Изобретение относится к двигателестроению. Роторный конусно-винтовой двигатель содержит расположенные под углом друг к другу внутренний и наружный конусно-винтовые элементы, имеющие нагревательную, нагнетательную и расширительную секции. Секции имеют винтовые рабочие поверхности, которыми элементы соприкасаются друг с другом. Количество заходов винтовой рабочей поверхности в нагнетательной секции любого из элементов равняется количеству заходов винтовой рабочей поверхности в его расширительной секции. Количество заходов n₂ винтовой рабочей поверхности наружного элемента на единицу превышает количество заходов n₁ винтовой рабочей поверхности внутреннего элемента. Внутренний и наружный конусно-винтовые элементы расположены в неподвижном корпусе, опираются на него через подшипники и имеют возможность совершать взаимосвязанное одностороннее вращение. Синхронизация вращения конусно-винтовых элементов осуществляется посредством зубчатой передачи. Направление навивки винтовой рабочей поверхности в нагнетательной секции любого из конусно-винтовых элементов совпадает с направлением навивки винтовой рабочей поверхности в его расширительной секции. Навивки винтовых рабочих поверхностей внутреннего и наружного конусно-винтовых элементов совпадают по направлению. Навивки винтовых рабочих поверхностей нагнетательной и расширительной секций наружного конусно-винтового элемента содержат не менее одного полного оборота. Техническим результатом является повышение надежности, повышение максимальных оборотов, уравновешивание и упрощение конструкции двигателя. 34 ил.

Роторный конусно-винтовой двигатель, содержащий расположенные под углом друг к другу внутренний и наружный конусно-винтовые элементы, каждый из которых имеет нагревательную секцию, а также нагнетательную и расширительную секции, имеющие винтовые рабочие поверхности, которыми элементы соприкасаются друг с другом по замкнутым в пространстве линиям, образуя ряд изолированных друг от друга винтообразно пузыревидных полостей, объем и положение которых изменяются при рабочем изменении взаимного положения элементов, количество заходов винтовой рабочей поверхности в нагнетательной секции любого из элементов равняется количеству заходов винтовой рабочей поверхности в его расширительной секции, количество заходов n₂ винтовой рабочей поверхности наружного элемента на единицу превышает количество заходов n₁ винтовой рабочей поверхности внутреннего элемента, отличающийся тем, что внутренний и наружный конусно-винтовые элементы расположены в неподвижном корпусе, опираются на него через подшипники и имеют возможность совершать взаимосвязанное одностороннее вращение, синхронизация вращения конусно-винтовых элементов осуществляется посредством зубчатой передачи, направление навивки винтовой рабочей поверхности в нагнетательной секции любого из конусно-винтовых элементов совпадает с направлением навивки винтовой рабочей поверхности в его расширительной секции, навивки винтовых рабочих поверхностей внутреннего и наружного конусно-винтовых элементов совпадают по направлению, сферические сечения винтовых рабочих поверхностей, имеющие общую центральную точку, представляют собой образующие, масштабированные и повернутые вокруг осей соответствующих конусно-винтовых элементов, навивка винтовой рабочей поверхности нагнетательной секции наружного конусно-винтового элемента содержит не менее одного полного оборота, навивка винтовой рабочей поверхности расширительной секции наружного конусно-винтового элемента содержит не менее одного полного оборота.