СПОСОБ СОГЛАСОВАНИЯ ВРАЩЕНИЯ ВАЛОВ РОТОРНО-ЛОПАСТНОГО ДВИГАТЕЛЯ-ГЕНЕРАТОРА, РОТОРНО-ЛОПАСТНОЙ ДВИГАТЕЛЬ-ГЕНЕРАТОР Российский патент 2019 года по МПК F01C1/63 F01C20/08 F02B53/14 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Изобретение относится к роторно-лопастным машинам преобразующим тепловую энергию топлива в электрическую энергию

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Идея роторно-лопастной машины (РЛМ) известна давно и постоянно привлекает внимание из-за ряда преимуществ перед машинами с возвратно-поступательным движением поршней.

Роторно-лопастная машина проще, в ней значительно меньше деталей, силы давления газов в рабочем ходе развивают момент при постоянном плече не зависящем от времени, в ней легко свести к нулю силы изгибающие валы.

[0003] Кроме того, есть основания утверждать, что в ней лучше соблюдаются условия для полного сгорания топлива, что делает ее более экологически чистой в сравнении с обычными поршневыми конструкциями.

Согласно принципу Ле Шателье - Брауна, реакция горения топлива в замкнутом объеме, которая идет с выделением тепла и повышением давления стимулируется при увеличении объема, так как при увеличении объема давление падает. Скорость увеличения объема камеры сгорания в начальных стадиях рабочего хода РЛМ больше, чем в обычной поршневой машине. Это внушает уверенность в том, что сгорание горючего в роторно-лопастной машине будет более полным, и она будет приносить меньше вреда окружающей природе.

[0004] Многими авторами были предприняты попытки построить такую машину, имеется большое количество патентов на различные варианты конструкций, но к настоящему времени ни одна из многочисленных конструкций не дошла до стадии успешного испытания.

[0005] В РЛМ для осуществления термических циклов необходимо обеспечить согласованное изменение угловых скоростей вращения валов и основная причина неудач состоит в том, что все известные варианты механизмов согласования представляли собой разнообразные варианты механической связи валов между собой и с неподвижной частью машины. Все они не были достаточно надежными, способными к длительной работе. Детали этих устройств испытывали знакопеременные ударные нагрузки, что быстро приводило к их разрушению.

[0006] Известны изобретения, например, патент RU 2237817, в котором предлагается установить на валы роторно-лопастной машины обратимые электрические машины (ОЭМ), но для удержания задней лопасти от вращения в обратном направлении предусматривается использовать стопорное устройство или храповик, что делает устройство практически неработоспособным.

Известны другие конструкции, например, WO 2008/081212 А1, где на валах роторно-лопастной машины установлены электрические машины, и используются механические стопорные устройства для предотвращения вращения ротора в одном из направлений, то есть, с тем же недостатком, что и в предыдущем примере.

ЗАДАЧА ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0007] Технической задачей является нахождение простого и надежного способа согласования вращения валов, без применения каких-либо механических связей влияющих на характер вращения валов роторно-лопастной машины.

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ

[0008] Предлагаемый способ согласования угловых скоростей валов роторно-лопастной машины заключается в установке ОЭМ на один из валов, или в установке ОЭМ на оба вала. В обоих случаях работа одной или двух ОЭМ контролируется электронным коммутатором, который находится под управлением компьютерного устройства получающего информацию о текущем положении валов от датчиков угловоых координат валов. Необходимый характер согласованного вращения валов достигаются приложением ускоряющих и тормозящих моментов к валам со стороны одной или двух ОЭМ, при этом валы не имеют никаких механических связей ни между собой, ни с неподвижными частями конструкции.

ПРЕИМУЩЕСТВА ПРЕДЛАГАЕМОГО СПОСОБА

[0009] Предлагаемый способ согласования угловых скоростей валов РЛМ является радикальным решением проблемы надежности этого устройства. Кроме того, применение ОЭМ обеспечивает получение всей продуцируемой энергии машины в виде электрической энергии.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0010] На фиг. 1 показано устройство с одной ОЭМ на одном из валов, где следующими позициями обозначены:

1 - вал 1

2 - вал 2

3 - одна из лопастей на валу 1

4 - одна из лопастей на валу 2

5 - ОЭМ

7 - цилиндрическая оболочка

8 - oin (отверстие всасывания); оех (отверстие выхлопа) на другой стороне оболочки не показано

9 - устройство поджига (свеча зажигания или инжектор впрыска топлива)

10 - датчик положения вала 1

11 - датчик положения вала 2

12 - компьютерное устройство

13 - электронный коммутатор

14 - аккумулятор

15 - электрическая нагрузка.

16 - маховик

[0011] На фиг. 2 показано устройство с ОЭМ, установленными на оба вала, где следующими позициями обозначены:

1 - вал 1

2 - вал 2

3 - одна из лопастей на валу 1

4 - одна из лопастей на валу 2

5 - ОЭМ

6 - ОЭМ

7 - цилиндрическая оболочка

8 - oin (отверстие всасывания); оех (отверстие выхлопа) на другой стороне оболочки не показано

9 - устройство поджига (свеча зажигания или инжектор впрыска топлива)

10 - датчик положения вала 1

11 - датчик положения вала 2

12 - компьютерное устройство

13 - электронный коммутатор

14 - аккумулятор

15 - электрическая нагрузка.

[0012] На фиг. 3 показано простейшее устройство главного узла РЛМ с двумя лопастями на каждом из валов, где: θ - угловой размер лопасти; d - ширина лопасти, R1 - радиус вала, R2 - радиус лопасти,

1 - вал 1

2 - вал 2

3 - одна из лопастей на валу 1

4 - одна из лопастей на валу 2

[0013] На фиг. 4 показано положение лопастей в начале первого такта, где: оех, oin - отверстия выхлопа и всасывания; ig - устройство зажигания; с1, с2, с3, с4 - камеры между лопастями; k₀ - начало отсчета координат; k₁, k₂ - координаты вала 1 и вала 2; bs - биссектриса угла между валами; ϕ₁, ϕ₂ - угловые размеры камер.

Лопасти вала 1 помечены одной меткой, лопасти вала 2 помечены парой меток

[0014] фиг. 5 - промежуточное положение лопастей в процессе первого такта, где в камере с1 происходит такт рабочего хода, в камере с2 - такт сжатия, в камере с3 - такт всасывания, в камере с4 такт выхлопа

[0015] фиг. 6 - положение лопастей в конце первого такта, что то же самое, что положение в начале второго такта

[0016] фиг. 7 - промежуточное положение лопастей в процессе второго такта, где в камере с2 происходит такт рабочего хода, в камере с3 - такт сжатия, в камере с4 - такт всасывания, в камере с1 - такт выхлопа

[0017] фиг. 8 - положение лопастей в конце второго такта.

[0018] фиг. 9 - показана зависимость угловой скорости биссектрисы (рад/с, пунктирная линия) и зависимость угла между валами (град, сплошная линия) от времени для варианта с одной ОЭМ

[0019] фиг. 10 - показана зависимость скорости вала 1 относительно биссектрисы (рад/с, сплошная линия) и зависимость скорости вала 2 относительно биссектрисы (рад/с, пунктирная линия) от времени для варианта с одной ОЭМ.

[0020] фиг. 11 - показана зависимость угловой скорости биссектрисы (рад/с, пунктирная линия) и зависимость угла между валами (град, сплошная линия) от времени для варианта с двумя ОЭМ

[0021] фиг. 12 - показана зависимость скорости вала 1 относительно биссектрисы (рад/с, сплошная линия) и зависимость скорости вала 2 относительно биссектрисы (рад/с, пунктирная линия) от времени для варианта с двумя ОЭМ.

РЕАЛИЗАЦИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0022] Устройство роторно-лопастной машины в общих чертах показано на фиг. 1 и фиг. 2, где на первом и втором валах закреплены по две лопасти таким образом, что лопасти первого вала чередуются с лопастями второго вала. При изменении угла между валами изменяются объемы камер между лопастями. На фиг. 1 показана РЛМ с ОЭМ установленной на вал 2 и маховиком на валу 1. На фиг. 2 показана РЛМ с двумя ОЭМ установленными на обоих валах.

[0023] Лопасти заключены в цилиндрическую полость 7 которая имеет отверстие всасывания горючей смеси 8 и отверстие выхлопа (не видно) на другой стороне полости. В боковой стенке полости имеется также устройство зажигания 9, которым может быть свеча зажигания или инжектор впрыскивающий порцию горючего в разогретый воздух, имеющий температуру достаточную для воспламенения горючего. На валах установлены датчики положения валов 10 и 11, которые посылают информацию о положении валов компьютерному устройству 12. Токи ОЭМ контролируются электронным коммутатором 13, который находится под управлением компьютерного устройства. Статоры ОЭМ и цилиндрическая полость закреплены к общему неподвижному основанию. Аккумулятор 14 служит буфером для временного хранения электрической энергии питающей ОЭМ и для обеспечения непрерывного потока электроэнергии в электрическую нагрузку 15.

Электрическая нагрузка потребляет всю электроэнергию выделяемую устройством в стационарном режиме работы.

[0024] фиг. 3 показывает пример простейшего устройства основного узла РЛМ содержащего четыре идентичных лопасти попарно закрепленных к двум валам. θ - это угловой размер лопасти, d - ширина лопасти, R1 - радиус вала, и R2 - радиус лопастей.

[0025] фиг. 4, 5, 6, 7 и 8 показывают пять последовательных положений лопастей в течение двух тактов. Они иллюстрируют характер согласованного вращения лопастей в течение тактов двигателя внутреннего сгорания. Лопасти образуют между собой ограниченные пространства - камеры изменяющегося объема: с1, с2, с3, и с4. Начало отсчета угловых координат валов - это горизонтальный луч направленный вправо и обозначенный k₀. Координата первого вала k₁, измеряется углом между k₀ и поверхностью лопасти этого вала ограничивающей камеру с1. Аналогично, координата второго вала k₂, измеряется углом между k₀ и поверхностью лопасти этого вала ограничивающей камеру с1.

[0026] На фиг. 4 координата первого вала k₁ в начале первого такта положительна, т.к. кратчайший поворот от k₀ до k₁ идет против часовой стрелки, тогда как координата второго вала в начале первого такта k₂ является величиной отрицательной. Такой выбор указания координат валов удобен тем, что разность координат валов (k₁-k₂) дает угловой размер камеры с1. Луч исходящий из центра вращения, заканчивающийся кружком и обозначенный буквами bs - это биссектриса угла между валами. Координата биссектрисы равна полусумме координат валов: (k₁+k₂)/2. Координата устройства зажигания постоянна и равна нулю. Отверстия всасывания и выхлопа обозначены oin и оех соответственно.

[0027] В течение первого такта, с момента воспламенения рабочей смеси в камере с1, эта камера расширяется, в ней происходит такт рабочего хода, объем камеры с2 уменьшается, в ней происходит такт сжатия, объем камеры с3 увеличивается, в ней происходит такт всасывания и объем камеры с4 уменьшается, в ней происходит такт выхлопа. Более коротко, в течение первого такта, с1 - камера рабочего хода, с2 - камера сжатия, с3 - камера всасывания и с4 - камера выхлопа. Условимся считать вал на котором установлена лопасть идущая первой в камере с1 ведущим, а другой вал задним. В первом такте вал 1 ведущий, а вал 2 задний.

[0028] Пройдя промежуточное положение изображенное на фиг. 5, к окончанию первого такта лопасти приходят в положение изображенное на фиг. 6, из которого видно, что угловой размер камеры с1 увеличился от ϕ₁ до ϕ₂, вал 1 повернулся на угол θ+ϕ₂, вал 2 повернулся на угол θ+ϕ₁, и биссектриса bs угла между валами повернулась на 90°.

[0029] Свежая порция горючей смеси сейчас сжата в камере с2. При воспламенении этой смеси начинается второй такт. В течение второго такта с2 - камера рабочего хода, с3 - камера сжатия, с4 - камера всасывания и с1 - камера выхлопа.

[0030] Подобно происходящему в первом такте, в течение второго такта лопасти проходят промежуточное положение показанное на фиг. 7 и к концу второго такта принимают положение показанное на фиг. 8, при этом в камере с1 закончился выхлоп, а в камерах с2, с3 и с4 закончились соответственно такты рабочего хода, сжатия и всасывания. Во втором такте угловой размер камеры с1 уменьшился до ϕ₁, вал 1 повернулся на угол θ+ϕ₁, вал 2 повернулся на угол θ+ϕ₂, и биссектриса bs угла между валами повернулась на 90°. В этом такте вал 1 был задним, а вал 2 ведущим. Поскольку положение валов в конце второго такта идентично их положению в начале первого, периодом работы устройства будем считать длительность двух последовательных тактов.

[0031] Для того, чтобы происходили описанные выше изменения угловых размеров камер и изменения их положений относительно окон необходимо, чтобы вращение валов было определенным образом согласованы. Ниже представлены некоторые соображения лежащие в основе предлагаемого способа достижения необходимого согласования с применением ОЭМ, допустив для простоты, что моменты инерции валов равны.

[0032] Допустим, что давления газов в камерах с1, с2, с3 и с4 равны р1, р2, р3 и р4 соответственно.

Тогда моменты т₁ и т₂ действующие на вал 1 и вал 2 равны:

где площадь лопасти S=d(R2-R1) и плечо силы давления на лопасть L=(R1+R2)/2, см. фиг. 3.

[0033] Отсюда видно, что моменты, с которыми газы действуют на валы, всегда равны по величине и противоположны по направлению. Это значит, что ускорение сообщаемое одному валу, равно и противоположно ускорению другого. Следовательно, биссектриса угла между валами не может приобрести ускорения за счет сил давления газов на лопасти. Только внешние моменты (в нашем случае моменты приложенные к валам со стороны ОЭМ), сумма которых не равна нулю могут сообщить ускорение биссектрисе угла между валами.

[0034] Предположим, что в положении показанном на фиг. 4 скорость вращения обоих валов и биссектрисы равна нулю, происходит воспламенение сжатой смеси в камере с1 и со стороны ОЭМ к валам прикладываются моменты. К валу 1 прикладывается момент -т₀ в направлении по часовой стрелке, к валу 2 прикладывается момент т₀ в направлении против часовой стрелки.

Допустим также, что в остальных трех камерах давление газов равно атмосферному.

[0035] Из этого неустойчивого состояния система придет к негармоническим колебаниям.

Подобно пружинному маятнику в ней начнется процесс перехода внутренней энергии газов в кинетическую энергию валов и затем процесс противоположного направления. Период этих колебаний зависит от начального давления газов, упругих свойств газов, моментов инерции валов и величин приложенных моментов. В процессе этих колебаний координата биссектрисы будет оставаться неподвижной.

[0036] Если в начальный момент угловая скорость биссектрисы будет равной некоторому значению ω₀ отличному от нуля, валы будут совершать те же самые колебания относительно вращающейся биссектрисы. Движение валов будет представлять сумму двух независимых движений: колебаний валов относительно биссектрисы и равномерное вращение биссектрисы. Величина ω₀ может быть такой, что за то время, пока угловой размер камеры с1 увеличится от ϕ₁ до ϕ₂, биссектриса совершит поворот на 90° и валы окажутся в положении показанном на фиг. 6, которое представляет конец первого такта. К этому моменту вместо камеры с1 теперь камера с2 содержит сжатую смесь готовую к воспламенению, то есть система готова для совершения второго такта.

[0037] Лопасти РЛМ с упругими газами между ними образуют колебательную систему. Это свойство использовано в предлагаемом способе и устройстве, в которых ОЭМ влияют на период и амплитуду колебаний системы и также на угол поворота биссектрисы в течение тактов.

[0038] В режиме стационарной работы РЛМ процессы происходящие в течение периода должны быть повторением происходящих в предыдущем периоде; к концу каждого периода скорости валов должны быть теми же, какими они были в начале. Если в течение периода газы за счет своей внутренней энергии произвели работу над лопастями, то эквивалентное, количество работы должно быть произведено валами против моментов ОЭМ. Это означает, что в течение периода сумма работ совершенных газами и внешними моментами должна быть равной нулю, только в этом случае валы не будут ни накапливать, ни терять своей кинетической энергии, то есть не будут ускорять или замедлять свою среднюю за период скорость вращения. Биссектриса угла между валами должна в течение каждого такта совершать поворот на 90° и угол между валами должен изменяться либо от ϕ₁ до ϕ₂, либо от ϕ₂ до ϕ₁.

[0039] В примерах ниже будет показано, как эти условия выполняются в РЛМ с одной ОЭМ и с двумя ОЭМ в которых приняты следующие допущения:

- энергии тепловых потерь и потерь на трение пренебрежимо малы,

- процессы сжатия и расширения газов являются политропными,

- работы всасывания и выхлопа пренебрежимо малы,

- моменты развиваемые ОЭМ в течение такта постоянны.

[0040] Числовые значения параметров главного узла РЛМ с двумя лопастями на каждом из валов (см. фиг. 3) приняты следующими:

- радиус валов R1=41.5 мм,

- радиус лопастей R2=124.6 мм,

- ширина лопастей d=83.1 мм,

- угловой размер лопастей θ=40°, и следовательно,

- сумма угловых размеров двух смежных камер ssa=180°-2⋅θ=100° и

- моменты инерции вала 1 и вала 2, J₁=J₂=0.215 кг⋅м².

[0041] В расчетах приняты следующие обозначения и числовые значения:

- степень сжатия CR=9,

- сумма объемов двух смежных камер Va=1 Л,

- индекс политропы сжатия n_C=1.3,

- индекс политропы расширения, n_E=1.3,

- повышение температуры при сгорании стехиометрической смеси ΔТ=2000 К,

- начальная температура сжатия Т₂=300 К,

- начальное давление сжатия Р₂=100 кПа

[0042] Используя данные выше, вычисляем:

- угловой размер камеры после сжатия ϕ₁=10°,

- угловой размер камеры до сжатия ϕ₂=90°,

- объем камеры перед началом сжатия V₂=0.9 Л,.

- объем камеры в конце сжатия V₁=0.1 Л,

- работа газа с начальным давлением Р₂ при его сжатии от объема V₂ до объема V₁ равна:

- в результате сжатия, давление газа повысится до P₁:

- и температура повысится до T₁:

- при сгорании сжатой смеси температура в камере сгорания станет T_F

- и давления в ней возрастет до P_F:

- работа расширения газа с начальным давлением P_F от объема V₁ до объема V₂ равна:

- общее количество работы газов в процессах сжатия и расширения равно:

ПРИМЕР 1

[0043] Пример 1 описывает режим стационарной работы РЛМ с установленной ОЭМ на один из валов, см. фиг. 1. Режим работы ОЭМ "мотор" или "генератор" переключается коммутатором. Когда ОЭМ, установленная на валу 2, работает как мотор, она потребляет электроэнергию и увеличивает скорость вращения вала 2; работая генератором, она тормозит его вращение и электроэнергию генерирует.

[0044] Как было сказано выше [0038], за время периода энергия валов не должна изменяться, что будет выполняться, если сумма работ газов и внешних моментов совершенных в течение периода будет равной нулю. Работа газов за период равна 2W_T.

В течение первого такта ОЭМ прикладывает ускоряющий момент т₀ к валу 2 который увеличивает энергию валов и выполняет работу равную т₀(θ+ϕ₁). В течение второго такта ОЭМ прикладывает к валу 2 тормозящий момент -т₀, и выполняет работу -т₀(θ+ϕ₂). Работа внешних моментов за период (за два такта) равна:

Из условия равенства нулю суммы работ газов и внешних моментов за период

находим величину момента т₀:

[0045] При условии, что момент т₀ найденной величины приложен к валу 2 и что начальные скорости валов и биссектрисы угла между ними равны нулю, методом итераций находим время t_S, в течение которого разогретые газы расширяются от объема V₁ до V₂, то есть, находим время такта, которое оказывается равным 21.53⋅10^-3 с. За это время биссектриса совершит поворот на угол β:

Используя найденое значение, вычисляем то значение начальной скорости биссектрисы ω₀, при которой угол поворота в течении такта будет равным 90°:

[0046] Сделанные вычисления позволяют дать описание стационарного режима работы РЛМ с одной ОЭМ. С помощью метода итераций было рассчитано вращение валов РЛМ при найденных численных значениях начальной скорости ω₀ и момента т₀. На фиг. 9 дана зависимость скорости биссектрисы ω_β (рад/с, пунктирная линия) и зависимость угла между валами α₁₂ (град, сплошная линия) от времени в течение четырех тактов. фиг. 10 дает зависимость скорости вала 1 относительно биссектрисы ω_1β (рад/с, сплошная линия) и зависимость скорости вала 2 относительно биссектрисы ω_2β (рад/с, пунктирная линия). ТАБЛИЦА 1 дает числовые значения координат биссектрисы ϕb, скоростей валов ω1, ω2 и функций представленных на фиг. 9 и фиг. 10 в интервале времени четырех тактов, который разбит на двадцать равных частей.

Из этой таблицы видно, что когда координата биссектрисы угла между валами ϕb принимает значения 90°, 180°, 270° и 360°, угол между валами α₁₂ становится равным 90°, 10°, 90° и 10° соответственно, что подтверждает согласованное друг с другом вращение валов и их правильное вращение относительно цилиндрической полости.

[0047] Кратко об основных параметрах РЛМ с одной ОЭМ:

- Мощность отдаваемая в нагрузку: 45 кВт (61 л.с.) при 697 об/мин,

- Литраж: 3.2 л,

- Мощность ОЭМ: 101 кВт.

ПРИМЕР 2

[0048] Пример 2 описывает режим стационарной работы РЛМ с ОЭМ установленными на обоих валах, см. фиг. 2. Режим работы обеих ОЭМ "мотор" или "генератор" переключается коммутатором. Когда ОЭМ работает как мотор, она потребляет электроэнергию и увеличивает скорость вращения своего вала; работая генератором, она тормозитт его вращение и электроэнергию генерирует.

[0049] В этом примере используются числовые характеристики из параграфов [0040] и [0041], и также результаты вычислений в параграфе [0042].

[0050] В первом такте ОЭМ на валу 2 (задний вал), прилагает к нему ускоряющий момент т₀ и производит работу т₀(θ+ϕ₁), в то время как ОЭМ на валу 1 (ведущий вал) прикладывает к нему тормозящий момент -т₀ и производит работу -т₀(θ+ϕ₂). Работа выполненная двумя ОЭМ в первом такте равна:

В течение следующего, второго такта, ОЭМ вала 2 прилагает к нему тормозящий момент -т₀ (во втором такте он ведущий) и производит работу -т₀(θ+ϕ₂), а ОЭМ вала 1 (во втором такте он задний) прикладывает к нему ускоряющий момент т₀ и производит работу т₀(θ+ϕ₁). Работа выполненная двумя ОЭМ во втором такте та же самая, что и в первом:

Работа газов в двух тактах равна 2W_T. Из условия равенства нулю суммы работ газов и внешних моментов за период

находим величину момента т₀:

[0051] При условии, что момент т₀ приложен к валу 2 и момент -т₀ приложен к валу 1, и что начальные скорости валов и биссектрисы угла между ними равны нулю, методом итераций находим время t_S в течении которого разогретые газы расширяются от объема V₁ до V₂, то есть, находим время такта, которое оказывается равным 21.53⋅10^-3 с. Угол поворота биссектрисы за это время будет равен нулю, так как суммарный внешний момент приложенный к валам равен нулю.

Вычисляем то значение начальной скорости биссектрисы ω₀, при которой угол поворота в течении такта будет равным 90°:

[0052] Сделанные вычисления позволяют дать описание стационарного режима работы РЛМ с двумя ОЭМ. Методом итераций было рассчитано вращение валов валов РЛМ при найденных численных значениях начальной скорости и моментов приложенных к обоим валам.

На фиг. 11 дана зависимость скорости биссектрисы ω_β (рад/с, пунктирная линия) и зависимость угла между валами α₁₂ (град, сплошная линия) от времени в течение четырех тактов. фиг. 12 дает зависимость скорости вала 1 относительно биссектрисы ω_1β (рад/с, сплошная линия) и зависимость скорости вала 2 относительно биссектрисы ω_2β (рад/с, пунктирная линия). ТАБЛИЦА 2 дает числовые значения координат биссектрисы ϕb, скоростей валов ω1, ω2 и функций представленных на фиг. 11 и фиг. 12 в интервале времени четырех тактов, который разбит на двадцать равных частей.

Из этой таблицы видно, что когда координата биссектрисы угла между валами ϕb принимает значения 90°, 180°, 270° и 360°, угол между валами α₁₂ становится равным 90°, 10°, 90° и 10° соответственно, что подтверждает согласованное друг с другом вращение валов и их правильное вращение относительно цилиндрической полости.

[0053] Кратко об основных параметрах РЛМ с двумя ОЭМ:

- Мощность отдаваемая в нагрузку: 45 кВт (61 л.с.) при 697 об/мин,

- Литраж: 3.2 л,

- Мощность ОЭМ: 51 кВт.

[0054] В обоих примерах с использованием одной или двух ОЭМ необходимое согласование вращения валов РЛМ достигается приложением к валам моментов со стороны ОЭМ. Функция ОЭМ сводится к периодическому отбору энергии выделяемой сгорающим топливом, что оказывается достаточным для достижения необходимого согласования. В обоих примерах не были задействованы датчики положений валов, не было упомянуто об управлении углами поворотов или скоростями валов с помощью компьютерного устройства.

[0055] В любом варианте практической реализации способа или устройства обратная связь и управление моментами ОЭМ будут необходимы, поскольку отклонения от стационарного режима работы неизбежны. При практической реализации, слежение за положениями обоих валов с помощью датчиков положений необходимо компьютерному устройству, следящему за отклонениями в РЛМ от ожидаемого стационарного режима. Система управления компенсирует эти отклонения внесением необходимой коррекции в величину или длительность моментов ОЭМ.

ПРИМЕНИМОСТЬ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

[0056] Предлагаемый способ согласования вращения валов роторно-лопастного двигателя с использованием одной или двух обратимых электрических машин может быть применен в машинах-генераторах преобразующих тепловую энергию сгорающего топлива в электрическую энергию.

Группа изобретений относится к способу согласования вращения валов роторно-лопастного двигателя-генератора и роторно-лопастному двигателю-генератору. Двигатель-генератор содержит два коаксиальных вала 1, 2 с установленными датчиками 10 и 11 их положений, обратимую электрическую машину 5 с электронной системой управления ее токами на одном из валов, аккумулятор 14 и электрическую нагрузку 15. При согласованном вращении валов 1, 2 образуются камеры переменного объема, в которых происходят такты всасывания, сжатия, рабочего хода и выхлопа. Суммарная производимая работа и угловая скорость вращения определяются опытным или расчетным путем, и для обеспечения стационарных циклов двигатель-генератор развивает чередующиеся ускоряющие и тормозящие моменты. Группа изобретений направлена на создание простого и надежного способа согласования вращения валов без применения каких-либо механических связей, влияющих на характер вращения валов роторно-лопастного двигателя-генератора. 7 н.п. ф-лы, 12 ил., 2 табл.

1. Способ согласования вращения валов роторно-лопастного двигателя-генератора, содержащего два коаксиальных вала с закрепленными на них лопастями, образующими между собой камеры изменяющихся объемов, в которых происходят такты всасывания, сжатия, рабочего хода и выхлопа, содержащего также датчики положения валов, обратимую электрическую машину с электронной системой управления ее токами на одном из валов, аккумулятор и электрическую нагрузку, отличающийся тем, что

- опытным или расчетным путем определяют суммарную работу W_T, совершаемую газами в течение тактов сжатия и рабочего хода,

- опытным или расчетным путем определяют продолжительность одного такта t_s и угол β поворота биссектрисы между валами, совершаемый при нулевой начальной скорости, в течение которого обратимая электрическая машина прикладывает к заднему валу ускоряющий момент, производящий при повороте этого вала на угол θ+ϕ₁ работу, равную:

2W_T(θ+ϕ₁)/(ϕ₂-ϕ₁),

где θ - угловой размер лопасти, ϕ₁ - угловой размер камеры к моменту завершения в ней такта сжатия, ϕ₂ - угловой размер камеры в момент начала в ней такта сжатия,

- вычисляют скорость валов ω_o в начале первого такта в стационарном режиме работы:

где N число лопастей на каждом из валов,

- при найденной скорости валов ω_o в начале тактов стационарного режима работы, когда вал с обратимой электрической машиной является задним, к нему прикладывается ускоряющий момент, который совершает работу, равную 2W_T(θ+ϕ₁)/(ϕ₂-ϕ₁), а в тактах, когда вал с обратимой электрической машиной является ведущим, к нему прикладывается тормозящий момент, который совершает работу, равную -2W_T(θ+ϕ₂)/(ϕ₂-ϕ₁).

2. Способ согласования вращения валов роторно-лопастного двигателя-генератора, содержащего два коаксиальных вала с закрепленными на них лопастями, образующими между собой камеры изменяющихся объемов, в которых происходят такты всасывания, сжатия, рабочего хода и выхлопа, содержащего также датчики положения валов, обратимые электрические машины с электронной системой управления их токами на каждом из валов, аккумулятор и электрическую нагрузку, отличающийся тем, что

- опытным или расчетным путем определяют суммарную работу W_T, совершаемую газами в течение тактов сжатия и рабочего хода,

- опытным или расчетным путем определяют продолжительность одного такта t_s, в течение которого к заднему валу обратимая электрическая машина прикладывает ускоряющий момент, производящий при повороте этого вала на угол θ+ϕ₁ работу, равную:

W_T(θ+ϕ₁)/(ϕ₂-ϕ₁),

где θ - угловой размер лопасти, ϕ₁ - угловой размер камеры к моменту завершения в ней такта сжатия, ϕ₂ - угловой размер камеры в момент начала в ней такта сжатия,

а к ведущему валу обратимая электрическая машина прикладывает тормозящий момент, производящий при повороте этого вала на угол θ+ϕ₂ работу, равную:

-W_T(θ+ϕ₂)/(ϕ₂-ϕ₁),

- вычисляют скорость валов в начале тактов ω_o в стационарном режиме работы:

где N число лопастей на каждом из валов,

- при найденной скорости валов ω_o в начале каждого такта стационарного режима работы на задний вал прикладывается ускоряющий момент, производящий работу, равную W_T(θ+ϕ₁)/(ϕ₂-ϕ₁), а на ведущий вал прикладывается тормозящий момент, производящий работу, равную

-W_T(θ+ϕ₂)/(ϕ₂-ϕ₁).

3. Способ согласования вращения валов роторно-лопастного двигателя-генератора в стационарном режиме его работы, который имеет два коаксиальных вала, вал 1 и вал 2, с лопастями в прилегающей к лопастям полости, в которой при вращении лопастей происходят периодические изменения объемов камер между лопастями и изменения положений лопастей относительно вышеуказанной полости, необходимые для протекания в упомянутых камерах тактов двигателя внутреннего сгорания, имеющего по меньшей мере на одном из валов обратимую электрическую машину с компьютеризированной системой управления, имеющего датчики угловых координат валов и имеющего аккумулирующее устройство для временного хранения электрической энергии, отличающийся тем, что - прикладывают к валу 1 со стороны обратимой электрической машины, если она установлена на этом валу, ускоряющий момент М1 в тех тактах, когда вал 1 является задним, и тормозящий момент - М1, когда вал 1 является ведущим, а к валу 2 со стороны обратимой электрической машины, если она установлена на этом валу, прикладывают ускоряющий момент М2 в тех тактах, когда вал 2 является задним, и тормозящий момент - М2, когда вал 2 является ведущим, причем величины моментов М1 и М2 таковы, что сумма работ этих моментов и работ газов в камерах в течение двух последовательных тактов равна нулю.

4. Роторно-лопастной двигатель-генератор, в котором использован способ согласования вращения валов по п. 1.

5. Роторно-лопастной двигатель-генератор, в котором использован способ согласования вращения валов по п. 2.

6. Роторно-лопастной двигатель-генератор, преобразующий тепловую энергию сгорающего топлива в электрическую энергию с обратимой электрической машиной на одном из валов, в котором для согласования вращения валов в стационарном режиме его работы используется способ по п. 3.

7. Роторно-лопастной двигатель-генератор, преобразующий тепловую энергию сгорающего топлива в электрическую энергию с обратимыми электрическими машинами на обоих валах, в котором для согласования вращения валов в стационарном режиме его работы используется способ по п. 3.