Ротационный двигатель внутреннего сгорания

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторным двигателям внутреннего сгорания и может быть использовано на автотранспортных средствах, в насосах, в авиации, а также в любой другой отрасли как силовой агрегат. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит расположенные в разных корпусах, но на одном роторе компрессор и газовую турбину. В проточных частях компрессора и турбины установлены блокирующие вставки для образования перепускного зазора. В двигателе используются качающиеся лопатки, установленные на барабанах ротора с помощью шарниров, причем лопатки турбины имеют противовесы, которые размещаются в полости барабана ротора турбины. Двигатель содержит соединенное с компрессором и турбиной с помощью трубопроводов устройство подогрева или камеру сгорания непрерывного и/или импульсного типа. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к конструкции двигателя внутреннего сгорания с проточными частями ротационного типа, и может быть использовано на автотранспортных средствах, в насосах, в авиации, а также в любой другой отрасли как силовой агрегат.

Известно устройство, ротационный двигатель внутреннего сгорания [1], содержащий цилиндрический корпус с внутренней профилированной поверхностью переменного радиуса, ротор, концентрично установленный относительно корпуса, и качающиеся лопатки, перемещающиеся в радиальных пазах барабана ротора и выполненные с шарнирно-подвижными уплотнениями на торцах, примыкающих к внутренней поверхности корпуса. Проточная часть известного устройства с рабочими камерами неравного объема образуется внутренней поверхностью корпуса, лопатками, торцевыми стенками корпуса и поверхностью барабана ротора и функционально разделяется на компрессорные и газотурбинные проточные части, которые соединяются между собой через перепускные зазоры, образованные выступами внутренней поверхности корпуса и внешней цилиндрической поверхностью барабана ротора.

Устройство работает следующим образом. Атмосферный воздух нагнетается через входной патрубок в первую рабочую камеру компрессорной части и при вращении ротора воздух в последующих рабочих камерах сжимается. Затем сжатый воздух перепускается через перепускной зазор в первую рабочую камеру газотурбинной части, разрежается и смешивается с подаваемым в камеру топливом, образуя горючую смесь. Горючая смесь воспламеняется и при сгорании топлива в рабочей камере создается давление, действующее на лопатки и приводящее в движение барабан ротора. В следующих рабочих камерах происходит расширение подогретого газа, давление которого воздействует на лопатки и совершает работу по вращению барабана ротора, после чего в последней рабочей камере газотурбинной части производится полное удаление отработанных газов через выходной патрубок. Далее процесс повторяется, обеспечивая непрерывную работу устройства.

Таким образом, известное устройство представляет собой объединение в едином корпусе компрессора, камеры сгорания и газовой турбины. Достоинством известного устройства является то, что оно имеет экологически чистый выхлоп, который состоит в основном, из водяных паров и углекислого газа, при отсутствии окиси углерода и низком содержании окислов азота. Недостатком известного устройства является сложность изготовления внутренней профилированной поверхности корпуса для обеспечения минимальной величины перепускного зазора. К недостаткам относится невысокая экономичность и небольшой срок службы известного устройства, связанные с потерями на перетечки и с потерями на трение в парах трения лопатка - паз и лопатка - внутренняя поверхность корпуса, а также с повышенным износом лопаток из-за воздействия на них значительных по величине напряжений на изгиб в контактной зоне лопатка - паз и в связи с термическими нагрузками на лопатки, связанные со сжиганием топлива в рабочей камере турбинной части.

Известно устройство, ротационный двигатель внутреннего сгорания [2], включающее полый цилиндрический корпус, эксцентрично ему установленный ротор и качающиеся лопатки, установленные на барабане ротора с помощью шарнирного механизма. Проточная часть образуется лопатками, торцевыми стенками корпуса, поверхностью барабана ротора и цилиндрической внутренней поверхностью корпуса и функционально разделяется на компрессорную часть и на турбинную часть, которые соединяются между собой через перепускной зазор, который образуется между внутренней поверхностью корпуса и поверхностью барабана ротора при их максимальном сближении. Известное устройство работает аналогично устройству [1]. Достоинством известного устройства, по сравнению с вышеуказанным устройством [1] является более простая конструкция, что связано с тем, что переменные по объему рабочие камеры проточной части выполняются за счет эксцентричного расположения внутренней цилиндрической поверхности корпуса и поверхности барабана ротора, а также больший срок службы, что связано с использованием шарнирного закрепления лопаток на барабане ротора, которое позволяет снизить потери мощности на трение и на перетечки, а также снизить нагрузку на лопатки. Недостатками известного устройства являются недостаточно большой срок службы и недостаточно высокая экономичность, связанные с термическими нагрузками на лопатки при их прохождении через камеру сгорания турбинной части и с возможными перетечками через перепускной зазор между компрессорной и турбинной частью.

Известно устройство, роторный двигатель внутреннего сгорания [3], содержащий корпус с соосно расположенными и разделенными стенкой внутренними рабочими полостями, представляющими собой компрессор и газовую турбину, барабаны которых установлены на одном роторе, и радиальные лопатки. Проточные части каждой полости образуются цилиндрической внутренней поверхностью корпуса, внешней поверхностью барабана ротора, лопатками и торцевыми стенками. Перепускной зазор в компрессоре и турбине образуется между внутренней поверхностью корпуса и внешней поверхностью барабана ротора при их максимальном сближении. Устройство работает следующим образом. Начальное вращение ротора приводит к однонаправленному вращению двух барабанов. Через входной патрубок одной полости подается топливовоздушная смесь, которая по мере вращения барабана с лопатками равномерно распределяется по всему ее объему. После прохождения лопаткой перепускного зазора и по мере дальнейшего движения лопатки происходит процесс сжатия топливной смеси в замкнутом объеме, который образуется позади лопатки. При достаточном сжатии смеси происходит ее воспламенение или производится ее поджиг, после чего продукты сгорания под высоким давлением поступают в другую полость через открывающиеся при этом отверстия в общей стенке и, расширяясь, обеспечивают вращающий момент на роторе двигателя, после чего оставшиеся отработанные газы удаляются через выходной патрубок компрессора. Затем указанный порядок работы повторяется. Достоинством известного устройства является увеличение срока службы по сравнению с двумя вышеуказанными устройствами [1] и [2], что объясняется конструктивным исполнением двигателя в двух раздельных корпусах и позволяет снизить термические нагрузки на лопатки, по крайней мере, в одной рабочей полости - в компрессоре. Тем не менее, недостатком известного устройства остается недостаточно большой срок службы, недостаточно высокая экономичность, связанные со сжиганием топлива в проточной части турбины, а также потери мощности на трение и на перетечки.

Прототипом предлагаемого изобретения является устройство [4], ротационный двигатель, содержащий внешнее устройство подогрева сжатого газа, например камеру сгорания, которое соединяется трубопроводами через входные и выходные патрубки с ротационным пластинчатым компрессором и с ротационной пластинчатой газовой турбиной, которые устанавливаются в разных корпусах, но на одном роторе, эксцентрично расположенном относительно внутренних поверхностей каждого корпуса. Компрессор содержит барабан с лопатками и корпус с патрубками подвода сжимаемого газа и отвода сжатого газа. Турбина содержит барабан с лопатками, корпус турбины с патрубками подвода подогретого сжатого газа и отвода расширившегося в турбине газа. Внешние поверхности барабанов компрессора и турбины соприкасаются с внутренней поверхностью их корпусов по образующим, образуя перепускные зазоры. Проточные части компрессора и турбины образуются внутренними поверхностями корпуса, внешней поверхностью барабана, торцевыми стенками и качающимися лопатками, например, с качающимся внешним краем. Устройство по прототипу работает следующим образом. Воздух подается через входной патрубок в компрессор и там сжимается. Сжатый воздух поступает через выходной патрубок компрессора во внешнее устройство подогрева. Нагретый сжатый воздух поступает от устройства подогрева в турбину через ее входной патрубок. В проточной части турбины происходит расширение нагретого сжатого воздуха, который производит давление на лопатки турбины и обеспечивает вращающий момент на роторе двигателя, после чего производится удаление отработанного газа через выходной патрубок турбины. Далее процесс повторяется, при этом впуск воздуха производится непрерывно. Достоинством устройства по прототипу является больший срок службы и более высокая экономичность, чем в вышеуказанных устройствах [1-3] за счет дополнения его внешним устройством подогрева сжатого газа, что позволяет снизить термическую нагрузку на рабочие поверхности проточной части устройства, особенно на лопатки. К недостаткам устройства по прототипу следует отнести недостаточно высокую экономичность и недостаточно большой срок службы, что связано с потерями мощности на трение и на перетечки в парах лопатка - корпус и лопатка - паз, и с ограничением уровня подогрева газа в устройстве подогрева, связанным с условиями выгорания смазки в турбине, так как устройство по прототипу конструктивно требует для своей работы смазку поверхностей в парах трения.

В связи с указанными техническими недостатками устройства по прототипу существует задача создания более экономичного ротационного двигателя внутреннего сгорания, с улучшенными эксплуатационными характеристиками и расширенными возможностями его применения.

Поставленная задача решается следующим образом.

В ротационном двигателе внутреннего сгорания, включающем ротационный компрессор, содержащий барабан с качающимися лопатками и корпус с патрубками подвода сжимаемого газа и отвода сжатого газа, устройство для подогрева сжатого в компрессоре газа, ротационную газовую турбину, содержащую барабан с качающимися лопатками и корпус с патрубками подвода подогретого сжатого газа и отвода отработанного газа, трубопроводы, соединяющие устройство подогрева с компрессором и турбиной, а также единый ротор, с которого снимается полезная мощность, расположенный эксцентрично внутренним поверхностям корпуса компрессора и корпуса турбины, проточные части компрессора и турбины дополнены блокирующими вставками, барабан ротора турбины выполнен полым, а качающиеся лопатки компрессора и турбины установлены на барабанах ротора с помощью шарниров, при этом лопатки турбины дополнены противовесами, расположенными в полости барабана ротора.

При этом в некоторых случаях противовесы выполнены, по меньшей мере, с одним съемным элементом и, например, с возможностью фиксации съемного элемента на любой части противовеса.

При этом в некоторых случаях устройство подогрева выполнено в виде устройства, сжигающего в атмосфере сжатого газа дискретные порции топлива, для чего на трубопроводе, соединяющем патрубок отвода сжатого газа из компрессора с устройством подогрева, установлено отсечное устройство, например обратный клапан.

Технический результат от применения предлагаемого изобретения состоит в улучшении эксплуатационных характеристик предлагаемого устройства и в повышении эффективности его применения по сравнению с устройством по прототипу, при увеличении срока службы и повышении экономичности.

Технический результат достигается установкой в проточной части компрессора и турбины блокирующих вставок, которые образуют перепускной зазор между рабочими камерами с большой величиной разницы давлений и, кроме того, позволяют обеспечить более полный выход рабочих газов. Геометрические параметры блокирующих вставок могут варьироваться для обеспечения необходимой величины перепускного зазора, что повышает эффективность применения предлагаемого устройства по сравнению с устройством по прототипу, в котором параметры перепускного зазора связаны только с эксцентричным положением барабана ротора относительно внутренней поверхности корпуса.

Указанный результат достигается креплением лопаток на барабанах ротора компрессора и турбины с помощью шарниров, что позволяет увеличить срок службы предлагаемого устройства по сравнению с устройством по прототипу за счет снижения потерь на трение и на перетечки, а также за счет снижения нагрузки на лопатки.

Указанный результат достигается также использованием в конструкции турбины полого барабана ротора, за счет чего появляется возможность выполнить шарнирное крепление лопаток на барабане с противовесами, качающимися относительно оси шарниров по обе стороны от поверхности барабана. Предлагаемое крепление лопаток, а также размещение противовесов в полости барабана турбины позволяет минимизировать потери мощности на трение торцов лопаток о внутреннюю поверхность корпуса турбины и за счет этого добиться увеличения скорости вращения барабана турбины и, тем самым, повышения величины полезной мощности, снимаемой с ротора двигателя, по сравнению с устройством по прототипу. Снижение потерь на трение в известном устройстве происходит за счет перераспределения нагрузки на лопатки, находящиеся в проточной части турбины. К таким нагрузкам относятся давление газа, центробежные силы и силы тяжести самой лопатки. Указанные нагрузки минимизируются путем их перераспределения на противовесы в полости ротора, а также с помощью выбора конструкции лопаток и противовесов, их массы, а также распределением массы по длине противовесов. При этом минимизируется суммарный момент центробежных сил давления, действующих на лопатки в проточной части, относительно оси шарнира за счет центробежных сил и сил тяжести, действующих на противовесы. Минимизация удельного давления торцов лопаток на внутреннюю поверхность корпуса за счет введения противовесов позволяет исключить использование смазочных материалов, что позволяет повысить экономичность предлагаемого устройства по сравнению с устройством по прототипу.

В некоторых случаях указанный результат достигается выполнением противовесов, по меньшей мере, с одним съемным элементом, например, с возможностью фиксации его на любой части противовеса. Это позволяет использовать предлагаемое устройство при разнообразных режимах работы и варьировать величину нагрузки на лопатки, что повышает эффективность и расширяет возможности применения предлагаемого устройства по сравнению с прототипом.

В некоторых случаях указанный результат достигается выполнением устройства подогрева в виде устройства, сжигающего в атмосфере сжатого газа дискретные порции топлива, что обеспечивается дополнительным отсечным устройством, которое устанавливается на трубопроводе, соединяющем патрубок отвода сжатого газа из компрессора с устройством подогрева. Возможность импульсного сжигания топлива расширяет возможности использования предлагаемого устройства по сравнению с прототипом, в котором используется только непрерывный подогрев.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором схематично изображена схема предлагаемого ротационного двигателя внутреннего сгорания с импульсной подачей топлива.

На чертеже показано: 1 - барабан ротора компрессора; 2 - качающаяся лопатка в проточной части компрессора; 3 - полый барабан турбины; 4 - качающаяся лопатка в проточной части турбины; 5 - противовес со съемным элементом; 6 - корпус турбины; 7 - патрубок подвода сжимаемого газа в компрессор; 8 - патрубок отвода сжатого газа из компрессора; 9 - блокирующая вставка проточной части компрессора, 10 - корпус компрессора; 11 - патрубок входа подогретого сжатого газа в турбину; 12 - патрубок выхода отработанного газа; 13 - блокирующая вставка проточной части турбины; 14 - устройство подогрева или сжигания топлива; 15 - трубопровод, соединяющий компрессор с устройством подогрева; 16 - отсечное устройство; 17 - трубопровод, соединяющий устройство подогрева с входным патрубком турбины; 18 - ротор двигателя; 19 - шарнир.

Толщина корпуса компрессора 10 и корпуса турбины 6, а также геометрия их наружной поверхности, толщина барабанов ротора компрессора 1 и турбины 3, а также толщина лопаток компрессора 2, лопаток турбины 4 и противовесов 5 на чертеже не показаны. При использовании устройства подогрева 14 с непрерывным подогревом или сжиганием топлива конструкция двигателя не содержит отсечное устройство 16.

Сущность предлагаемого ротационного двигателя внутреннего сгорания заключается в следующем.

Проточная часть компрессора (расположен внизу чертежа) образована поверхностью барабана 1 с закрепленными на ней с помощью шарниров 19 лопатками 2, поверхностью блокирующей вставки 9, внутренней поверхностью корпуса компрессора 10 и его торцами (не показаны). Проточная часть турбины (расположена вверху чертежа) образована поверхностью барабана 3 с закрепленными на ней с помощью шарниров 19 лопатками 4, поверхностью блокирующей вставки 13, внутренней поверхностью корпуса турбины 6 и его торцами (не показаны). Барабаны 1 и 3 установлены на едином роторе 18. Блокирующая вставка 9, размещенная в проточной части компрессора между входным 7 и выходным 8 патрубками компрессора, и блокирующая вставка 13, размещенная между входным 11 и выходным 12 патрубками турбины, образуют перепускные зазоры в проточной части компрессора и турбины, которые позволяют минимизировать перетечки, соответственно, сжатого воздуха и подогретого газа.

В предлагаемом устройстве качающиеся лопатки 2 компрессора и качающиеся лопатки 4 турбины закрепляются с помощью шарниров 19 на соответствующих барабанах 1 и 3, при этом лопатки 4 имеют противовесы 5, например, со съемными элементами, в полости барабана 3. Использование противовесов 5 позволяет уравновесить моменты центробежных сил, действующих на лопатки 4 при их вращении, и сил давления газа на лопатки, уменьшив потери мощности на трение торцов лопаток 4 о внутреннюю поверхность корпуса турбины 6. Подогрев сжатого воздуха в предлагаемом устройстве осуществляется с помощью устройства 14 непрерывно или импульсно. При непрерывном сжигании топлива (устройство 16 отсутствует) в устройстве подогрева 14 порция сжатого воздуха, расположенная между выходным патрубком 8 компрессора и лопаткой 4 турбины, находящейся в направлении вращении ротора 18 непосредственно за входным патрубком турбины 11, изобарно (при постоянном давлении) подогревается за счет энергии, высвобождающейся, например, при сгорании топлива в устройстве 14. Сжатый в компрессоре и подогретый в устройстве 14 газ расширяется, перемещая лопатки 4 турбины и приводя во вращение ротор 18. Реализуемый при непрерывном подогреве сжатого газа в устройстве 14 тепловой цикл аналогичен тепловому циклу двигателя внутреннего сгорания газотурбинного типа (цикла Брайтона). При этом компрессор играет роль циклового компрессора. При импульсном сжигании топлива в устройстве подогрева 14 сжатого газа используется отсечное устройство 16, которое устанавливается на трубопроводе 15. При этом порция сжатого газа, расположенная между отсечным устройством 16 и лопаткой 4 турбины, находящейся в направлении вращения ротора 18 непосредственно за патрубком 11, изохорно (при постоянном объеме) дополнительно сжимается и подогревается за счет энергии, высвобождающейся при сгорании топлива в устройстве 14. Отсечное устройство 16 отсекает газ от сжатого воздуха в трубопроводе 15. При этом сжатый и подогретый газ расширяется, перемещая лопатки 4 турбины и приводя во вращение барабан 3 и ротор 18. Реализуемый в этом случае тепловой цикл является аналогом теплового цикла двухтактного двигателя внутреннего сгорания поршневого типа. При этом компрессор играет роль наддувочного агрегата.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Атмосферный воздух поступает через входной патрубок 7 в компрессор. При этом барабан 1 компрессора с лопатками 2, установленными на нем с помощью шарниров 19, вращается совместно с ротором 18, и, соответственно, с барабаном турбины 3 и установленными на нем лопатками 4 с противовесами 5. Поступивший в компрессор воздух сжимается и через выпускной патрубок 8 компрессора нагнетается в трубопровод 15 и попадает в устройство для подогрева сжатого газа 14, например, выполненного в виде камеры сгорания. При этом возможен как непрерывный режим работы камеры сгорания 14. так и импульсный режим, представляющий собой дискретный нагрев порций сжатого газа. Импульсный режим позволяет осуществить отсечное устройство 16, устанавливаемое на трубопроводе 15. Далее подогретый сжатый газ по трубопроводу 17 поступает от устройства подогрева 14 в турбину через входной патрубок 11. В проточной части турбины подогретый сжатый воздух расширяется, перемещая в направлении вращения лопатки 4 турбины с противовесами 5, приводя в рабочее вращение ротор 18, с которого снимается полезная мощность и который приводит во вращение барабан компрессора 1. Затем отработанные газы выпускаются через выходной патрубок 12 турбины, и цикл работы двигателя повторяется.

ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Был изготовлен макет ротационного двигателя с внешней камерой сгорания. Компрессор и газовую турбину разместили в разных корпусах. Лопатки для компрессора выполнили криволинейными дугообразного вида и установили с помощью шарниров на барабане ротора. Лопатки для турбины с противовесами выполнили V-образного вида с внутренним углом около 115 градусов. Были изготовлены и установлены в проточной части компрессора и турбины внутренние блокирующие вставки, соответствующие размерам их проточной части. Были проведены рабочие экспериментальные запуски двигателя, которые позволили подобрать соответствующую массу противовесов и их форму, а также подобрать оптимальную геометрию лопаток. Эксперименты показали, что потери мощности на трение в паре лопатка - корпус и на перетечку газа при работе турбины с предлагаемой конструкцией лопаток ниже, чем у устройства по прототипу не менее чем на 10 процентов. При этом было отмечено снижение нагрузки на лопатки, что позволило отказаться от смазки внутренней поверхности корпуса и что, в свою очередь, позволило повысить температуру рабочего газа в проточной части турбины по сравнению с устройством по прототипу.

2. Было изготовлено несколько съемных элементов разной массы и формы с возможностью надежной фиксации на противовесе. Эксперименты показали, что установка съемных элементов на разных частях противовесов позволяет изменять режимы работы двигателя и минимизировать нагрузку на лопатки, снижая потери на трение, что позволяет утверждать о повышении эксплуатационных характеристик предлагаемого устройства по сравнению с устройством по прототипу.

3. Были проведены эксперименты с использованием устройства подогрева в виде камеры сгорания импульсного типа, для чего было выполнено отсечное устройство в виде обратного клапана. Эксперименты показали хорошую работоспособность предлагаемого устройства на импульсном режиме, что расширяет возможность применения предлагаемого устройства по сравнению с устройством по прототипу.

При этом во всех выполненных экспериментах было отмечено улучшение эксплуатационных характеристик предлагаемого устройства по сравнению с устройством по прототипу, при повышении экономичности предлагаемого устройства.

Источники информации

1. Патент РФ № 2209323.

2. Патент РФ № 2134806.

3. Патент РФ № 2006617.

4. Д.Рей, Д.Макмайкл. Тепловые насосы. Москва. Энергоиздат. 1982 г., с.43-46.

1. Ротационный двигатель внутреннего сгорания, включающий ротационный компрессор, содержащий барабан с качающимися лопатками и корпус с патрубками подвода сжимаемого газа и отвода сжатого газа, устройство для подогрева сжатого в компрессоре газа, ротационную газовую турбину, содержащую барабан с качающимися лопатками и корпус с патрубками подвода подогретого сжатого газа и отвода отработанного газа, и трубопроводы, соединяющие устройство подогрева с компрессором и турбиной, а также единый ротор, с которого снимается полезная мощность, расположенный эксцентрично внутренним поверхностям корпуса компрессора и корпуса турбины, отличающийся тем, что проточные части компрессора и турбины дополнены блокирующими вставками, барабан ротора турбины выполнен полым, а качающиеся лопатки компрессора и турбины установлены на барабанах ротора с помощью шарниров, при этом лопатки турбины дополнены противовесами, расположенными в полости барабана ротора.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что противовесы выполнены, по меньшей мере, с одним съемным элементом и, например, с возможностью фиксации съемного элемента на любой части противовеса.

3. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что устройство подогрева выполнено в виде устройства, сжигающего в атмосфере сжатого газа дискретные порции топлива, для чего трубопровод, соединяющий патрубок отвода сжатого газа из компрессора с устройством подогрева, дополнен отсечным устройством, например обратным клапаном.