Роторно-турбинный двигатель внутреннего сгорания с активным ротором

 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторным двигателям с камерой сгорания постоянного объема. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит цилиндр с расположенными симметрично по его окружности камерами сгорания и с крышками, имеющими отверстия для продувки воздухом и выброса отработавших газов. В корпусе установлен ротор, на котором симметрично по окружности расположены насадки. Камера сгорания расположена под углом к направлению на ось вращения, а насадки ротора становятся активными в процессе работы за счет создания реактивной струи, выходящей из насадки и добавляющей момент вращения. Согласно изобретению, ротор выполнен со стойками, а насадки закреплены на стойках, при этом количество камер сгорания и число стоек выполнено четным, а струя газов выходит из насадки через сопло. Стойки могут быть выполнены в виде лопастей воздушного винта. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к двигателям с камерой сгорания постоянного объема, и может быть использовано в автомобилестроении, малой авиации, в судах на воздушной подушке и в производстве электроэнергии в качестве автономного источника.

Известен роторный двигатель Ванкеля (Е.И.Акатов. Судовые роторные двигатели. Л., Судостроение, с.46).

Основными недостатками являются часто выходящие из строя уплотнительные элементы, плохая приспосабливаемость к изменениям внешней нагрузки, повышенный расход топлива и неудовлетворительные показатели по выбросам в отработавших газах.

Дело в том, что камера сгорания роторного двигателя представляет собой полумесяц со слишком большой длиной, из-за чего чересчур высокими оказались потери тепла через стенки камеры, а потому РПД имеет низкий термический КПД. Отсюда неумеренный по сравнению с традиционным двигателем "аппетит" на топливо. Оказалось также, что термическая зона оптимальной работы РПД довольно узкая: при низких температурах охлаждающей жидкости и масла резко понижается мощность двигателя, при слишком высоких интенсивно изнашиваются уплотнения ротора. Кстати, долговечность этих самых уплотнений, определяющая ресурс всего агрегата в целом, всегда оставляла желать лучшего. Наконец, токсичность отработавших газов РПД вследствие неудачной конфигурации камеры сгорания не укладывается в рамки ужесточающихся день ото дня экологических требований.

Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя и упрощение его конструкции.

Поставленная задача достигается тем, что в роторно-турбинном двигателе внутреннего сгорания с активным ротором, содержащем цилиндр с расположенными симметрично по его окружности камерами сгорания и с крышками, в которых размещены подшипники рабочего вала и имеющими отверстия для продувки воздухом и выброса отработавших газов, ротор с установленными на нем симметрично по окружности насадками, при этом камера сгорания расположена под углом к направлению на ось вращения, а насадки ротора становятся активными в процессе работы за счет создания реактивной струи, выходящей из насадки и добавляющей момент вращения, согласно изобретению, ротор выполнен со стойками, а насадки закреплены на стойках, при этом количество камер сгорания и число стоек выполнено четным, а струя газов выходит из насадки через сопло.

Поставленная цель достигается также тем, что стойки могут быть выполнены в виде лопастей воздушного винта.

Предлагаемый двигатель не имеет кривошипно-шатунного механизма, поршней и механизма газораспределения, как и двигатель Ванкеля, и вспышка топлива непосредственно воздействует на ротор двигателя. Однако этот двигатель значительно проще, чем двигатель Ванкеля, и свободен практически от всех его недостатков.

Кроме того, рычаг воздействия силы газов гораздо больше при тех же размерах, так как прикладывается не на всю грань треугольного ротора, а на насадку, размещенную на конце стойки ротора. Он является вообще максимально возможным из всех известных конструкций двигателей при тех же размерах.

Изобретение поясняется при помощи чертежей:

На фиг.1 представлен вид на двигатель сверху и сбоку (со стороны снятой задней крышки);

На фиг.2 и 2а - варианты выполнения двигателя;

На фиг.3 - вид насадки на роторе двигателя, вид сверху и сбоку и пояснение принципа действия двигателя;

На фиг.4 - вариант выполнения двигателя в виде лопастного движителя. На фиг.1 и 2 показан принцип построения описываемого двигателя.

Камеры сгорания (например, цилиндрической формы) размещаются симметрично по окружности цилиндра двигателя наклонно к оси вращения, с тем, чтобы при вспышке горючей смеси выброс газов из камеры сгорания добавлял момент вращения двигателя. Двигатель имеет цилиндрический корпус с двумя крышками, в которых размещены подшипники рабочего вала и имеются отверстия для продувки двигателя воздухом. По окружности цилиндра двигателя строго симметрично размещено четное число камер сгорания 1. На валу двигателя закреплен ротор также с четным числом стоек с насадками 2 специальной формы (см. фиг.3).

Причем камеры сгорания 1 устанавливаются наклонно в соответствии с направлением вращения двигателя. Топливная система и система зажигания может быть использована от современных автомобилей - это не является принципиальным для сути изобретения.

Угол наклона, размеры, количество камер сгорания и другие параметры могут быть определены при компьютерной проработке проекта конкретного двигателя (под определенную мощность и размеры).

При этом предлагается на стойках ротора установить обтекаемые насадки такой формы, чтобы в момент прохождения насадкой камеры сгорания образовывалась как бы единая камера сгорания с выходом газов через сопло сзади насадки, что должно добавлять момент вращения за счет образующейся при этом реактивной струи, см. фиг.3.

Предполагается, что после набора оптимального числа оборотов двигателя каждая новая вспышка топлива в камерах сгорания будет как бы подкачивать давление в камерах насадок и обеспечивать постоянную реактивную струю в течение полного оборота. Давление будет тем больше, чем больше разница площадей входного и выходного отверстий насадки. Важно, чтобы внешняя поверхность насадки (кольцо вокруг выемки в насадке) имела минимальный зазор с внутренней поверхностью цилиндра самого двигателя, т.е. как бы скользила по ней. В этом случае потери от выхода газов через этот зазор будут минимальными и КПД. будет выше.

Варианты реализации двигателя см. на фиг.2 и 2а. Насадки на роторе и камеры сгорания необходимо выполнить из термостойких материалов с минимальным температурным коэффициентом расширения, например из металлокерамики или сплава алюминия с магнием. Поджиг свечей осуществляется попарно поочередно через такт либо все 4 одновременно в зависимости от необходимой мощности и частоты вращения. Для повышения мощности можно собирать в один корпус, например пакет из трех секций - роторов и камер сгорания, смещая их на угол 30°.

Что же касается количества камер сгорания на одну секцию двигателя, то их должно быть четное число 2, 4, 6, 8 и т.д. и они должны работать попарно или одновременно, чтобы предотвратить биения двигателя и деформацию подшипника при длительной работе. Оптимальным является число камер сгорания 4, а число насадок 8-12. Момент поджига определяется как в современных автомобилях с помощью процессора от бесконтактного датчика (датчика Холла) и автоматически поддерживается максимально возможная частота вращения. От этого же процессора управляются и электромагнитные клапаны топливной системы так, чтобы обеспечить необходимое для данной мгновенной мощности заполнение камер сгорания горючей смесью. Воздух для охлаждения подается через отверстия в передней крышке двигателя, на оси ставится крыльчатка вентилятора как во всех двигателях (или же использовать стойки ротора как крыльчатку вентилятора), а отработанные газы выбрасываются через отверстия в задней крышке (на эскизах не показаны). Первоначальная раскрутка двигателя может быть обеспечена как обычно стартерным электродвигателем. Можно использовать турбонаддув аналогично современным автомобилям. Если понадобится, можно статор двигателя заключить в “рубашку” для жидкостного охлаждения.

Двигатель работает следующим образом (см. фиг.3). Для простоты возьмем вариант, когда в инжекторы подается под давлением - в один водород, а в другой - кислород (можно подавать под давлением пропан и сжатый воздух или бензино-воздушную смесь - это не является принципиальным). Для примера возьмем вариант, когда камера сгорания расположена под углом 45° к направлению на ось вращения.

Тогда при вспышке горючего возникает сила F, она направлена под углом 45° к направлению вращения и раскладывается на 2 основные равные составляющие: f1=f2=1/2 F, причем f1 направлена по направлению вращения, а реактивная сила f3, надеюсь, должна компенсировать потери на выброс газа в зазор менее 1 мм между насадкой и внутренней поверхностью цилиндра двигателя и некоторые другие потери (на преодоление трения и нагрев, например), тогда КПД может приблизиться к 75%. Нужно обеспечить минимально возможный зазор между насадками ротора и внутренней поверхностью цилиндра двигателя во всем диапазоне рабочих температур. Возможен также "большой" вариант исполнения двигателя (диаметр цилиндра двигателя 2 м и более ), когда в качестве стоек ротора для крепления насадок используются лопасти несущего винта летательного аппарата или судна на воздушной подушке, т.е. двигатель становится движителем, см. фиг.4.

В процессе работы струя газов из камер сгорания воздействует на насадку и выходит из сопла сзади насадки, добавляя момент вращения за счет реактивной силы.

Паровые и газовые турбины имеют аналогичный принцип действия и успешно работают. В то же время использование реактивной струи давно известно. Данная конструкция двигателя объединяет преимущества двух обозначенных выше принципов действия.

В результате получаем максимально простой, легкий и экономичный двигатель.

Из его простоты вытекает максимально возможная для нашего уровня техники надежность.

Формула изобретения

1. Роторно-турбинный двигатель внутреннего сгорания с активным ротором, содержащий цилиндр с расположенными симметрично по его окружности камерами сгорания и с крышками, в которых размещены подшипники рабочего вала и имеющими отверстия для продувки воздухом и выброса отработавших газов, ротор с установленными на нем симметрично по окружности насадками, при этом камера сгорания расположена под углом к направлению на ось вращения, а насадки ротора становятся активными в процессе работы за счет создания реактивной струи, выходящей из насадки и добавляющей момент вращения, отличающийся тем, что ротор выполнен со стойками, а насадки закреплены на стойках, при этом количество камер сгорания и число стоек выполнено четным, а струя газов выходит из насадки через сопло.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что стойки выполнены в виде лопастей воздушного винта.

РИСУНКИ