Роторный двигатель А.Н.Гулевского Советский патент 1993 года по МПК F01K11/00 

Изобретение относится к машиностроению, а конкретнее к роторным двигателям, и может быть использовано в различных областях техники, например, на всех видах транспорта, как привод электрогенератора и т.д.

Цель изобретения - увеличение КПД двигателя.

Из термодинамики известно, что КПД любой тепловой машины (какими являются и представленные) состоит из произведения 2-х КПД:термического и механического.

КПД составляющих, тем выше КПД общий. Рассматривая первую со- ставляющуюКПД, известно, что он зависит от степени сжатия рабочего тела (воздуха) в рабочем объеме (камере сгорания). Степень сжатия Ј в самых лучших тепловых двигателях достигает (14-16)тах известное значение, а в прототипе значение Ј ограничено средним числом и может быть выше определенных пределов, которые определяются конструкцией. Так в прототипе лопаточный

компрессор, создающий число е. невозможно вращать с частотой выше пределов проч- ности его материала. Поэтому в представленном прототипе существует предел и термического КПД, который вместе с механическим КПД составляет известное значение в пределах 20% ... 30% (по аналогии с турбореактивными двигателями).

Термический КПД предлагаемого роторного двигателя существенно повышается за счет применения лопаточного компрессора шиберного типа с фиксированной подачей воздуха в рабочем объеме компрессора, а так же ступенчатого способа сжатия воздуха с его промежуточным охлаждением. Это позволяет снизить энергозатраты на сжатие и повысить объемный КПД компрессора, В предлагаемой конструкции сжатый воздух к реактивным приводам, прямоточным воздушно-реактивным двигателям (ПВРД), размещенным на ободе маховика, подается через внутренние воздушные каналы.во вращающемся маховике, который также

ел

с

со

О

о

00 СП 00

со

представляет ступень сжатия, и еще более сжимается от центральной силы. При таком построении конструкции с соосным расположением компрессора на роторе двигателя можно получить степени сжатия е выше приведенного значения (14-16) и сократить его размеры, а это дает возможность повысить термический КПД применяемых ПВРД до70%-80%.

Что касается второй составляющей, ме- хзнйческого КПД, то в прототипе этот КПД меньше, чём у предлагаемого двигателя за .счет потерь на трение в топливном насосе, который в предложенном варианте отсутствует.

Вращающийся маховик с внутренними кана лами топливоподлчи сам является центробежным насосом, а так же за счет механических потерь рассеивания кинетической энергии газовой струи на лопатках газовой турбины.

В предлагаемой конструкции реактивные привода.установленные по касательной на ободе маховика,полностью отдают ему свою кинетическую энергию потока газовой струи. Так же расширяются возможности увеличения кпд предлагаемого роторного двигателя при установке на его ось вспомогательного электрогенератора, причем выработка эл.энергии генератора в предлагаемом двигателе не влияет на силовой ротор и не отбирает вследствие этого от него энергии, а, наоборот, может при необ- ходимости добавить. Осуществляется это/ установкой якорной обмотки на вал газовой турбины,охватывающей маховик с ротором и своими лопатками, расположенными кон- центрично реактивным приводам. При этом лопатки воспринимают инерционную остаточную часть энергии газовой струи от реак- тивных приводов маховика, а газовая турбина при этом вращается в обратном относительно ротора направлении.

Эксплуатационные возможности предлагаемого роторного двигателя значитель- но расширяются особенно при применении на транспорте, за счет установки его на синхронный шарнир равномерной угловой скорости (шаровой). Вследствие вращения ротора с маховиком РД с высокой частотой в нем возникает гироскопический эффект, а сам РД представляет собой-в этом случае гироскоп. Его ось при этом старается сохранить свое положение в пространстве неизменным, поэтому один конец оси вставлен в чашку шарнира, а другой поддерживается демпферными пружинами. Лучшее положение при этом вертикальное. При колебаниях положения передаточного блока, на котором установлен РД, конецбсисдемпферными пружинами будет воспринимать прецессионные действия ротора с маховиком. В транспорте, особенно автомобильном, отклонения корпуса передаточного блока при движении явление обычное. Следовательно, в предлагаемом РД исключаются перегрузки на подшипники, удерживающие ось с маховиком.

Важным обстоятельством в расширении эксплуатационных возможностей является использование на РД разнообразных видов жидкого и газообразного топлива, и особенно водорода, т.к. в предлагаемом РД самая короткая цепь передачи водорода и любого топлива от емкости к двигателю, то уменьшается пожаро- и взрывоопасность передачи его к реактивным приводам. А вследствие высокой эффективности РД уменьшается и потребление этого экологически чистого топлива.

Изобретение поясняется фиг. 1 и 2, Предлагаемый роторный двигатель представлен на фиг. t .в виде кинематической упрощенной схемы и состоит из следующих частей: собственно ротора его оси 1 и маховика 2 с установленным на ось 1 защитным кожухом 3. Ось 1 имеет топливно-впу- скнре отверстие 4. На кожухе 3 установлен стартер 5 (электродвигатель) для передачи движения оси 1. На кожухе 3 установлена так же одна из обмото.к 6 вспомогательного генератора электрического тока. В диске маховика 2 расположены внутренние каналы 7 для подачи топлива от центрального - отверстия 8 (фиг. 2 разр. А-А), расположенного в оси 1 маховика 2, в камеру сгорания 9 с соплом 101 Для подачи воздуха в камеру сгорания 9 имеются воздушные каналы 11. Под маховиком 2 расположены двухступенчатый ротационно-пластинчатый компрессор 12 с рубашкой охлаждения 13 с пластинчатыми роторами 14 и 15, закрепленными на оси 1. Входное отверстие компрессора 12 связано с атмосферным воздухом посредством воздушного фильтра 16 и гибкого патрубка 17. Корпус компрессора 12 имеет в своей нагнетательной полости первой и второй ступени каналы 18 и 19 для прохода сжатого воздуха во входное отверстие оси 1, связанное с каналами 11. Корпус компрессора 12 с кожухом 3 и со стартером 5 удерживаются от разворота на оси 1 демпферными пружинами 20, установленными на корпусе двигателя 21. В опорной части оси 1 установлен синхронный шарнир 22 равномерной угловой скорости. Ось 1 после шарнира 22 связана с зубчатой шестерней 23, которая через муфту сцепления 24 может передавать крутящий момент ведомому зубчатому колесу 25.

Для создания вспомогательного генератора электрического тока якорная обмотка 28 газовой турбины 26 с лопатками 27 установлена напротив статорной обмотки б (фиг. 1, 2 разр. А-А), отработанные выхлопные газы выходят через отверстие 29 кожуха 3.

Роторный двигатель работает следующим образом:

Стартер 5 (электродвигатель), установленный на кожухе 3, который удерживается от разворота на оси 1 демпферными пружинами 20, начинает разгонять маховик 2. По мере набора скорости вращения маховика 2 в его топливных каналах 7 у оси вращения в центре отверстия 8 образуется разрежение воздуха от центробежной силы, которая заставляет некоторый объем воздуха в каналах переместиться к периферии маховика 2.

В тоже время работают и пластинчатые роторы 14,15 2-х ступенчатого ротационно- пластйнчатого компрессора 12, корпус которого установлен на кожухе 3. При этом атмосферный воздух поступает в компрессор 12 через воздушный фильтр 16 и гибкий патрубок 17 во всасывающую полость компрессора 12 и переводится пластинчатым ротором 14 в его нагнетательную полость.

Далее сжатый воздух поступает в всасывающую полость 2-й ступени через соединительный охлаждаемый канал 18 и потом сжимается далее при повороте ротора 15 и поступает в нагнетательную полость второй ступени сжатия и далее через охлаждаемый канал 19 во входное отверстие воздушного канала оси 1. Для отвода тепла при сжатии воздуха применяется охлаждающая .жидкость (вода), которая при проходе через рубашку 13 компрессора 12 отводит от него .при работе тепло. Поступив в воздушные каналы 11 маховика 2, воздух центробежной силой и под высоким давлением подводится к камерам сгорания 9 ПВРД, где пройдя пространство камеры 9; выходит через сопло 10. При достаточном разгоне маховика 2 вокруг оси 1 в ее топливо-впускное отверстие 4 открывается подача и начинает поступать топливо, которое под действием разрежения, указанного выше, засасывается в отверстие 4 и во внутренние каналы 7 маховика 2. Центробежной силой топливо далее принудительно подается в камеру сгорания 9, где,смешиваясь с воздухом,, поджигается. Далее процесс сгорания может самоподдерживаться высокой температурой сгорания.

При сгорании топлива температура в камере сгорания 9 возрастает вместе с давлением и пбтенциальная энергия давления

Р переходит в кинетическую энергию истекающей из сопла 10 газовой струи. При этом возникает реактивная сила тяги F, которая и создает крутящий момент Мк на маховике

5D

2 с плечом, равным у.и силой,равной суммарной тяге реактивных ПВРД, установленных на ободе маховика 2. При увеличении скорости вращения маховика 2 увеличива- 0 ется и скорость компрессии подаваемого в каналы 11 сжатого воздуха и силы сопротивления от нее и при определенной подаче топлива (кг/с, г/с) происходит стабилизация реактивной тяги ПВРД и наступает рав- 5 новесное состояние скорости вращения и момента Мк, при котором его нарушение происходит только при изменении подачи топлива или воздуха. За моментом вращения маховика 2 его постоянством или регу0 лированием могут автоматически следить электронные системы, механические и т.д. При предлагаемом расположении оси 1 ротора двигателя - вертикальном, она своим опорным концом соединена с синхрон5 ным шарниром 22 равномерной угловой скорости и с зубчатой шестерней 23, которая через муфту сцепления 24 передает кру-. тящий момент Мк ведомому зубчатому колесу 25 (потребителю). Синхронный шар0 нир выполняет свое назначение при гироскопическом эффекте оси 1 ротора, при изменениях положения основания передаточного блока. Для восстановления положения ротора с маховиком 2 при отклонениях

5 или раскачивании корпуса 21 с передаточным блоком до угла а предусмотрены демпферные пружины 20. которые удерживают так же и от разворота элементы конструкции 3 и 12. При углах отклонения

0. корпуса 21 больше угла а предусмотрена опорная поверхность на корпусе 21 (фиг. 1), на которую кожух 3 опирается, что экономит место размещения роторного двигателя в корпусе.

5 С целью максимального использования кинетической энергии струи истекающих из сопла 10 газов, на маховик 2 установлена газовая турбина 26. Истекающие газы производят давление на лопатки 27 газовой тур0 бины 26 и вращают ее в обратную сторону относительно маховика 2. При этом установ- - ленная обмотка 28, расположенная на газовой турбине 26, движется относительно обмотки 6 кожуха 3 с генерированием элек5 трическрй энергии.

Выработанная таким образом энергия,

может использоваться на движение или на

другие потребности в автомобиле, катере и .

т.д. Отработанные газы выходят в окно 29

: кожуха 3. Их тепло может быть использовано в целях отопления и др. Шум работы двигателя поглощается кожухом 3 с применением шумопоглощающих средств (гофрированных крышек, заглушек и т.д.). Формула изобретения Роторный двигатель, содержащий корпус, размещенные внутри него лопаточный компрессор с реактивным приводом, газовую турбину, установленную соосно с воздушным компрессором и концентрично относительно реактивных приводов, трубопроводы раздельной подачи топлива и .воздуха к реактивным приводам, отличающийся тем, что, с целью увеличения КПД

двигателя, последний снабжен маховиком с вертикальным валом и размещенными на нижнем конце вала синхронным шарниром, муфтой сцепления и шестерней зубчатой передачи, рубашкой охлаждения компрессора, защитным кожухом, демпферными пружинами и вспомогательным электрогенератором с якорем и статором, причем реактивные приводы закреплены на ободе

маховика, демпферные пружины закреплены на защитном кожухе и корпусе двигателя, якорь вспомогательного электрогенератора размещен на валу турбины, а статор - на кожухе двигателя.

Использование: транспортный двигатель, привод электроустановки. Сущность изобретения: в корпусе размещен лопаточный компрессор с реактивным приводом, газовая турбина, установленная соосно с компрессором, и трубопроводы раздельной подачи воздуха и топлива к реактивным приводам. Двигатель снабжен маховиком с вертикальным валом,на нижнем конце которого размещены синхронный шарнир, муфта сцепления и шестерня зубчатой передачи, рубашкой охлаждения компрессора, защитным кожухом, демпферными пружинами и вспомогательным электрогенератором, якорь которого размещен на валу турбины, а статор - на кожухе двигателя. Реактивные приводы размещены на ободе маховика. 2 ил,