Способ уплотнения рабочих камер роторного двигателя

 

Изобретение относится к энергетике, преимущественно к роторным двигателям. Способ уплотнения рабочих камер роторного двигателя путем минимизации зазоров в бесконтактных уплотнениях заключается в том, что на рабочие поверхности двигателя, по меньшей мере на рабочую поверхность корпуса, наносят покрытие с износостойкостью и твердостью ниже, чем износостойкость и твердость корпуса и роторов. Наращивают толщину покрытия и притирают его сопряженными элементами при работе двигателя. Покрытие наносят при работе двигателя на режиме номинальной мощности путем ввода в рабочий тракт вещества, температура плавления или возгонки которого ниже максимальной температуры рабочего цикла и выше рабочей температуры корпуса и роторов. Предложенный способ позволяет повысить эффективность бесконтактных уплотнений роторного двигателя путем снижения утечек рабочего тела. 5 з.п. ф-лы, 7 ил. /

Изобретение относится к области энергетики, преимущественно к роторным двигателям.

Известен способ бесконтактного уплотнения рабочих камер машины (SU, авторское свидетельство 347453 А, кл. F 16 J 15/14, 30.08.72) заключающийся в том, что на внутреннюю поверхность рабочей полости машины прикрепляют накладку из вспененного материала с закрытыми ячейками и обрабатывают ее под размер, обеспечивающий минимальный зазор между накладками и ротором. Из патентной литературы (RU, патент 2013589 C1, кл. F 02 В 53/00, 30.05.94) известен способ уплотнения рабочих камер роторного двигателя, содержащего корпус с рабочей полостью, образованной двумя пересекающимися цилиндрическими расточками, в которой установлены ведущий и ведомый роторы. На поверхности полости корпуса и части ведущего ротора в области камеры расширения, а также на передней по ходу вращения части внешней цилиндрической поверхности ведомого ротора выполняют лабиринтные уплотнения.

Данный способ уплотнения рабочих камер роторного двигателя принят в качестве ближайшего аналога для изобретения.

Известные способы уплотнения рабочих камер роторного двигателя не обеспечивают необходимой минимизации зазоров, поскольку поверхности корпуса и роторов могут изменяться под действием ряда факторов (неравномерность нагрева роторов и корпуса, их деформация под воздействием сил давления газа, изгибающих и крутящих моментов и др.).

Предложенные способы позволяют обойти известные трудности.

Задачей изобретения является - повышение эффективности бесконтактных уплотнений роторного двигателя путем снижения утечек рабочего тела.

Технический результат достигается тем, что заявленный способ уплотнения рабочих камер роторного двигателя путем минимизации зазоров в бесконтактных уплотнениях заключается в том, что на рабочие поверхности роторного двигателя, по меньшей мере на рабочую поверхность корпуса, наносят покрытие с износостойкостью ниже, чем износостойкость роторов, наращивают его толщину и притирают покрытие сопряженными элементами при работе двигателя.

Покрытие наносят при работе двигателя на режиме номинальной мощности путем ввода в рабочий тракт вещества, температура плавления или возгонки которого ниже максимальной температуры рабочего цикла и выше рабочей температуры корпуса и роторов. Конденсация вещества обеспечивает осаждение на стенках рабочих камер мягкого истираемого покрытия, минимальные зазоры и утечки рабочей среды в бесконтактных уплотнениях. При этом вещество распыляют во впускных патрубках или вводят в виде присадок в топливо. В качестве вещества используют нагаролакообразующие ингредиенты топлива. Покрытие может быть выполнено вспенивающимся от нагрева материалом, например минералом вермикулит, который обрабатывается кромками роторов при работе двигателя с минимизацией зазоров и утечек с образованием термобарьерного покрытия.

На фиг.1 изображен роторный двигатель в поперечном разрезе; на фиг. 2 - разрез по А-А; на фиг. 3 - вид В; на фиг. 4 - разрез по С-С; на фиг. 5 - осевой разрез двигателя; на фиг.6 - в увеличенном масштабе вид Е; на фиг.7 - сечение М-М.

Двигатель содержит корпус 1 с рабочей полостью, образованной двумя пересекающимися цилиндрическими расточками, в котором на подшипниках 2 установлены ведущий ротор 3 с валом 4 и ведомый ротор 5, имеющий впадину 6, сопряженную с выступом ведущего ротора. На валах роторов установлены синхронизирующие шестерни 7, кинематически связанные между собой через паразитную шестерню и обеспечивающие таким образом однонаправленное вращение роторов с равной угловой скоростью. Внутри ведомого ротора выполнена камера сгорания, образованная впускными каналами 8,9 и выпускным каналом 10, которые соединены между собой в центральной части ротора и с окнами 11, 12, 13 на внешней цилиндрической поверхности ротора. Окна с некоторыми интервалами (расстояниями) разнесены по длине ведомого ротора, т.е. расстояние L между впускными окнами 11, 12 больше длины b выпускного окна; предпочтительна форма окон в виде овалов с усеченной стороной, параллельной уплотняющим кромкам 14 ротора. Впускные каналы 8,9 выполнены криволинейными, обращенными вогнутыми сторонами друг к другу; с выпускным каналом 10 они соединены тангенциально и обеспечивают завихрение воздушного заряда.

На кромках рабочей полости корпуса, образованных пересечением цилиндрических расточек, напротив окон выполнены фаски 15, 16, 17, вогнутой в поперечном сечении формы, в продольном сечении фаски 15, 16 (напротив впускных окон) имеют переменную, увеличивающуюся в направлении к окнам глубину и тоже вогнутую форму. Длина фаски 17 меньше длины фаски 15, 16, она близка к длине b выпускного окна. На кромке рабочей полости в камере сжатия между фасками 15, 16 могут быть выполнены дополнительные фаски 18 с обратными клапанами 19, обеспечивающие отбор сжатого воздуха для вспомогательных целей, например для питания пневмосети, и дополнительный дренаж защемленного в фасках объема.

В корпусе напротив окон 11, 12 при их положении в фазе расширения заряда выполнены окна 20, 21 с направляющими сопловыми лопатками 22, причем лопатки в окне 20 изогнуты в противоположном направлении относительно лопаток в окне 21. На выходе каналов 20, 21 установлена импульсная газовая турбина 23, вал которой кинематически связан или с силовым валом 4, или с турбокомпрессором, генератором, маслонасосом и др. вспомогательными агрегатами. Выход газа из турбины соединен или с внешней средой, или газопроводом 24 с коллектором 25. В корпусе выполнены впускные окна 26 с патрубками 27 и выпускные окна 28, соединенные с коллектором 25. На валу двигателя установлен маховик 29 с ободом на периферии, который скреплен или выполнен за одно целое с лопаточными венцами 30, 31 газовой парциальной турбины. Между венцами расположены направляющие лопатки 32, закрепленные на корпусе. Вход этой турбины соединен с коллектором 25, выход - с турбокомпрессором 33, обеспечивающим продувку рабочего тракта двигателя сжатым воздухом через патрубки 27.

В камере сгорания установлена топливная форсунка 34, соединенная трубопроводом 35 с топливным насосом. Оппозитно к форсунке 34 в камере может быть установлено дополнительное средство воспламенения, например, свеча зажигания электроискрового или калильного типа, облегчающая запуск двигателя с циклом дизеля. Электропитание свечи возможно, например, через скользящий контакт на торце вала ведомого ротора, который может одновременно служить прерывателем. Возможен бензиновый вариант двигателя с впрыском легкого топлива в патрубки 27 или через карбюратор.

На теплонапряженных поверхностях рабочей полости корпуса целесообразна установка накладок 40 из термостойкого материала со структурой лабиринтных уплотнений на поверхности. Накладка может быть выполнена, например, из тонкого (~0,3...0,5 мм) листа жаропрочной стали, гофрированного в окружном направлении с зигзагообразным расположением гофр в осевом направлении (см. фиг. 6,7), скрепленного с корпусом.

При синхронном вращении роторов в направлении, указанном стрелками, происходит сжатие воздушного заряда в камере сжатия 36, перепуск его в камеру сгорания 10, впрыск топлива через форсунку 34, воспламенение его от температуры сжатия или от дополнительного средства воспламенения, сгорание, выпуск продуктов сгорания через окно 13 и фаску 17 в камеру расширения 37, расширение газов, выпуск через окно 28 в коллектор 25, дополнительное расширение в турбинах 30, 31, 33, продувка рабочей камеры сжатым в турбокомпрессоре воздухом. В завершающей фазе процесса расширения окно 13 переходит из камеры расширения в камеру 36, камера сгорания соединяется с камерой сжатия. Непосредственно перед этим моментом впускные окна 11, 12, соединяются с окнами 20, 21 в корпусе, сжатый газ из камеры сгорания выпускается в импульсную турбину 23 и совершает полезную работу, устраняется подача продуктов сгорания в камеру сжатия. Близким к оптимальному представляется двигатель, в котором турбина 23 соединена с компрессором наддува, а турбина 33 кинематически связана, например, через понижающий редуктор фрикционного типа, с выходным валом двигателя. Накладки 40 обеспечивают снижение тепловых потерь и утечек газа в бесконтактных уплотнениях, причем зигзагообразные гофры компенсируют тепловые деформации накладки в окружном и осевом направлениях. Технико-экономическая эффективность предложенного двигателя весьма высока, в нем реализуются многие прогрессивные направления повышения мощности и экономичности: высокая быстроходность благодаря бесконтактным уплотнениям и относительно длительному периоду сгорания топлива в камере постоянного объема, низкие нагрузки на подшипники роторов, высокий механический КПД, высокая степень сжатия, продолженное расширение в камере 37 и в газотурбинных трактах адиабатный режим работы, большие проходные сечения каналов газообмена, простая, компактная, легкая и надежная конструкция.

Ключевой проблемой предложенного двигателя является эффективность бесконтактных уплотнений, поэтому ниже рассмотрен способ бесконтактного уплотнения рабочих камер теплового двигателя.

Способ уплотнения рабочих камер роторного двигателя путем минимизации зазоров в бесконтактных уплотнениях заключается в том, что на рабочие поверхности двигателя, по меньшей мере на рабочую поверхность корпуса, наносят покрытие с износостойкостью и твердостью ниже, чем износостойкость и твердость корпуса и роторов. Существуют ряд веществ, которые могут быть рассмотрены в этом аспекте, например минералы барит BaS0₄, галенит PbS, галлит NaCI, миллерит NiS, пирофиллит, тальк, гипс и др. Толщину покрытия наращивают и притирают покрытие сопряженными элементами при работе двигателя. Покрытие может быть нанесено при работе двигателя на режиме номинальной мощности путем ввода в рабочий тракт вещества, температура плавления которого ниже максимальной температуры в камере сгорания, т.е. максимальной температуры рабочего цикла и выше установившейся максимальной температуры роторов и корпуса, т. е. рабочей температуры корпуса и роторов. Вещество в виде порошка засыпается, например, в емкость 38, с нижним отверстием, соединенным с форсункой 39, подключенной к источнику сжатого воздуха, порошок распыляется во впускной патрубок, расплавляется или возгоняется в камере сгорания, в процессе расширения вещество проникает в щели бесконтактных уплотнений, конденсируется (затвердевает) на их стенках и притирается вращением роторов, обеспечивая минимальные зазоры в уплотнениях.

Вещество может быть введено в виде присадок в топливо. Возможна версия способа с использованием естественных, присущих стандартному топливу ингредиентов, создающих нагар и лаковые отложения на рабочих органах двигателя при определенном топливном режиме последних (температура меньше 500^oC); в этом случае известный недостаток обращается в новый полезный эффект.

Покрытие может быть выполнено из особого материала, способного вспениваться под действием высокой температуры, например минерала вермикулит.

Накладками из этого минерала выполняется футеровка корпуса, затем при нагреве во время работы двигателя вермикулит вспучивается, увеличиваясь в объеме, и срезается (истирается) по месту твердыми кромками роторов; при этом автоматически реализуются минимальный зазор и оптимальная форма корпуса, отображающая все многообразие тепловых и механических деформаций рабочих органов тепловой машины. Вспененный материал представляет собой хорошее термобарьерное покрытие, а его ячейки образуют структуру лабиринтных уплотнений.

Двигатель характеризуется весьма высокой удельной мощностью: при габаритах 400х400х300 мм, степени повышения давления в турбокомпрессоре Пк~4, окружной скорости ведущего ротора И=150 м/с. (n = 1200 об/мин), коэффициенте избытка воздуха 1,4 мощность близка к 300 кВт.

Формула изобретения

1. Способ уплотнения рабочих камер роторного двигателя путем минимизации зазоров в бесконтактных уплотнениях, отличающийся тем, что на рабочие поверхности, по меньшей мере, корпуса наносят покрытие с износостойкостью ниже, чем износостойкость роторов, наращивают его толщину и притирают покрытие сопряженными элементами при работе двигателя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что покрытие наносят при работе двигателя на режиме номинальной мощности путем ввода в рабочий тракт вещества, температура плавления или возгонки которого ниже максимальной температуры рабочего цикла и выше рабочей температуры корпуса и роторов.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что вещество распыляют во впускных патрубках.

4. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что вещество вводят в виде присадок в топливо.

5. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве вещества используют нагаролакообразующие ингредиенты топлива.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что покрытие выполняют вспенивающимся от нагрева материалом, например минералом вермикулит.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7