Способ возврата тепловых потерь в роторном двигателе карфидова для дополнительной работы
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторным двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение КПД двигателя Карфидова. Сущность изобретения заключается в том, что в роторном двигателе Карфидова воду через вращающееся соединение подают в центральный канал перемычки в мембранные насосы компрессора. Насосы сначала прокачивают воду по каналам диска и конусов компрессора, где ее предварительно нагревают. Затем воду подают в мембранные насосы высокого давления рабочего ротора, которыми вытесняют перегретую воду из каналов диска и конусов рабочего ротора и впрыскивают ее жиклерами в объемы расширения рабочего ротора. Излишки воды от сгоревшего топлива удаляют, а остальную воду подают обратно в двигатель.
Изобретение относится к области машиностроения, к двигателе- и компрессоростроению.
Известен «Роторный двигатель Карфидова», содержащий корпус, снабженный двумя роторами, сообщенными между собой гантелеобразной перемычкой, с выполненными на сферической поверхности перемычки канавками параллельно лопаткам, с установленными в канавках направляющими элементами, оси которых выполнены в шаровых опорах соосно шарнирам лопаток, установленных в дисках, последние установлены с возможностью совместного с конусами вращения с разными углами и диагонально расположены в каждом роторе, с закрепленными на дисках шаровыми опорами и сферами, рабочие поверхности которых сопряжены с внешними и внутренними окружностями конусов и лопаток, на сферической поверхности перемычки рабочего ротора выполнены противоположно расположенные напорные камеры, с внутренней стороны соединенные с трубопроводом с установленным в нем клапаном, а с внешней стороны установлены гильзы с юбками, совпадающими по размеру с параллельными стенками напорных камер, внешними торцами закрепленные на напорных площадках, примыкающих внешними сферическими поверхностями к внутренней поверхности шаровой опоры в зоне совмещения ее окон «топлива» и «воздуха» с окнами «топлива» и «воздуха» в напорных площадках, причем каждое окно последних сообщено с соответствующим трубопроводом. См. RU 2189470, 20.09.2002 г., Бюл. №26. Это решение принято за прототип.
Недостатком данного технического решения является небольшая величина дополнительного расширения в рабочем роторе продуктов сгорания, которые в поршневых двигателях в конце расширения имеют высокую температуру (порядка 1000-1700 К) и низкое давление (от 0,25 до 0,60 МПа). Доработка такого давления в рабочем роторе незначительна по сравнению с общей долей низкотемпературных и высокотемпературных тепловых потерь в двигателе.
Технический результат от использования изобретения: возврат низкотемпературных и высокотемпературных потерь в двигателе для полезной работы, что также обеспечивает охлаждение двигателя, позволяет равномерно распределять тепловую нагрузку на детали, образующие рабочие объемы, повышает эффективный КПД двигателя на величину возвращенных в работу тепловых потерь, которые в ДВС в общем составляют 50-60%. Увеличивает крутящий момент и повышает удельную мощность более чем в два раза, обеспечивает экологичность и бесшумность работы, причем при понижении атмосферного давления КПД и мощность двигателя не снижаются. Благодаря присутствию высокотемпературных катализаторов в камерах сгорания двигатель может работать на больших высотах (порядка 20000 м и более).
Указанный технический результат достигается за счет того, что способ возврата тепловых потерь в «Роторном двигателе Карфидова» для дополнительной работы, по которому воду через вращающееся соединение подают в центральный канал перемычки, в мембранные насосы компрессора, последние сначала прокачивают воду по каналам диска и конусов компрессора, где ее предварительно нагревают, а затем подают в мембранные насосы высокого давления рабочего ротора, которыми как до, так и после открытия жиклеров в объемах расширения, путем нагнетания нагретой воды вытесняют перегретую воду из каналов диска и конусов рабочего ротора, и впрыскивают последнюю указанными жиклерами в объемы расширения рабочего ротора, где давление продуктов сгорания и водяного пара дорабатывают до температуры и давления конденсации воды, причем излишки воды от сгорания топлива удаляют, а остальную воду подают обратно в двигатель.
Способ возврата тепловых потерь в «Роторном двигателе Карфидова» для дополнительной работы позволяет повысить эффективность работы двигателя за счет двухступенчатого цикла работы. Во время первой ступени цикла работу совершают продукты сгорания, а когда давление снижается, начинается вторая ступень цикла с впрыска перегретой до 240-250°С воды в объемы расширения рабочего ротора.
Расширение продолжается до давления ниже атмосферного за счет действия турбоотдува, понижающего давление перед выпускным коллектором примерно до 0,06-0,08 МПа, причем в выпускном коллекторе давление уже атмосферное. В коллекторе собирается вода и вновь направляется в двигатель. Эффективность второй ступени цикла выше, чем первой, из-за более высокой энергоемкости и использования высшей теплоты сгорания топлива. Воду через вращающееся соединение подают в центральный канал перемычки, в мембранные насосы компрессора, последние сначала прокачивают воду по каналам диска и конусов компрессора, где ее предварительно нагревают, что позволяет использовать два мембранных насоса, емкостью каждого не более 0,5 см (на 1 л объема рабочего ротора и 500 см3 компрессора). Насосы расположены непосредственно в напорных площадках, каждый из которых приводится в действие через окно в напорной площадке, которое совмещается то с объемом сжатия топлива, то с объемом заполнения топлива. Таким образом, качая мембрану, вода направляется в каналы диска и конусов, а нагретая вода из этих каналов направляется в насосы рабочего ротора. Привод мембранных насосов позволяет устранить некоторую избыточность объемов топлива по отношению к объемам воздуха в компрессоре. Это уменьшает насосные потери, при этом циркуляция воды по каналам диска и конусов уменьшает рабочую температуру компрессора и снижает механические потери на его привод. Затем воду подают в мембранные насосы высокого давления рабочего ротора, которыми как до, так и после открытия жиклеров во объемах расширения путем нагнетания нагретой воды вытесняют перегретую воду из каналов диска и конусов рабочего ротора и впрыскивают последнюю указанными жиклерами в объемы расширения рабочего ротора. Что позволяет использовать высокое давление первой ступени цикла для привода насосов как непосредственно, так и за счет запертого давления в них, т.е. после подачи давления в мембранные насосы оно сохраняется там и после открытия жиклеров, а так как перегретая вода (до 240-250°С), истекая из жиклеров, понижает давление и температуру в каналах диска и конусов, то открывается клапан в насосе и нагретая вода устремляется в каналы диска и конусов рабочего ротора, вытесняемая из насоса запертым в нем давлением, затем после некоторого снижения давления в первой ступени цикла открываются жиклеры и производится впрыск перегретой воды. После впрыска жиклерами перегретой воды в объемы расширения давление в последних значительно повышается, а температура несколько снижается. При этом площадь лопаток, на которую действует давление, значительно возрастает по сравнению с первой ступенью цикла, что значительно повышает крутящий момент и эффективность работы второй ступени цикла. По окончании работы второй ступени цикла давление в объемах расширения падает ниже атмосферного за счет действия турбоотдува, где давление перед выпускным коллектором составляет примерно 0,06-0,08 МПа. Окна насосов в напорных площадках совмещаются с окнами в шаровой опоре, запертое в насосах давление освобождается, за счет чего насосы рабочего ротора заполняются нагретой водой из насосов компрессора. Четыре насоса высокого давления, каждый емкостью не более 0,25 см3 (на 1 л рабочего объема рабочего ротора), расположены в двух напорных площадках рабочего ротора. При уменьшении подачи топлива в камеры сгорания уменьшается и давление в объемах расширения, соответственно уменьшается и объем прокачиваемой воды по каналам дисков и конусов и, наоборот, при увеличении подачи топлива растут объем и температура прокачиваемой воды. Давление продуктов сгорания и водяного пара дорабатывают до давления и температуры конденсации воды, причем излишки воды от сгоревшего топлива удаляют, а остальную воду подают обратно в двигатель, что позволяет использовать данный способ возврата тепловых потерь в качестве системы охлаждения и использовать двигатель в экстремальных климатических условиях, в режиме предельных нагрузок. Расход топлива на единицу мощности может составить величину, вдвое меньшую по сравнению с аналогичной характеристикой существующих дизельных двигателей, а удельная мощность - выше, чем у лучших авиационных двигателей.
Способ возврата тепловых потерь в роторном двигателе Карфидова для дополнительной работы, по которому воду через вращающееся соединение подают в центральный канал перемычки в мембранные насосы компрессора, последние сначала прокачивают воду по каналам диска и конусов компрессора, где ее предварительно нагревают, а затем подают в мембранные насосы высокого давления рабочего ротора, которыми как до, так и после открытия жиклеров в объемах расширения путем нагнетания нагретой воды вытесняют перегретую воду из каналов диска и конусов рабочего ротора и впрыскивают последнюю указанными жиклерами в объемы расширения рабочего ротора, где давление продуктов сгорания и водяного пара дорабатывают до температуры и давления конденсации воды, причем излишки воды от сгоревшего топлива удаляют, а остальную воду подают обратно в двигатель.
