Роторный двигатель, способы работы двигателя (варианты)

 

Изобретение относится к области энергетики и может быть применено в тепловых двигателях разнообразного назначения, включая двигатели наземного, воздушного, подводного транспорта, космические энергоустановки и мощные агрегаты промышленных ТЭЦ. Роторный двигатель содержит корпус, во внутренней полости которого с возможностью однонаправленного вращения установлены ведущий ротор с уплотняющим выступом и ведомый ротор с двумя уплотняющими кромками впадиной на внешней цилиндрической поверхности. Камера нагрева расположена в корпусе и сообщена с камерами сжатия и расширения через распределительные перепускные каналы, выполненные на ведомом роторе и в корпусе. Профили роторов выполнены винтовыми. В корпусе выполнена предкамера, в которой установлен теплообменник-рекуператор. Предложенная конструкция роторного двигателя и порядок выполнения процессов его работы позволяют повысить топливную экономичность и экологичность двигателя. 3 с. и 6 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретения относятся к области энергетики и могут быть применены в тепловых двигателях разнообразного назначения, включая двигатели наземного, воздушного, подводного транспорта, космические энергоустановки и мощные агрегаты промышленных ТЭЦ.

Из патентной литературы известны роторные двигатели: [1] (SU, авторское свидетельство 1252509, кл. F 01 C 21/16, 23.08.86); [2] (SU, авторское свидетельство 1414964, кл. F 02 B 55/00, 07.08.88); [3] (RU, патент 2013589, кл. F 02 B 53/00, 27.10.96) - принятый в качестве прототипа.

[4] (SU, заявка 94045350, кл. F 02 B 53/00, 27.10.96), содержащие корпус с внутренней полостью, образованной двумя пересекающимися цилиндрическими расточками, в которых установлены с возможностью однонаправленного синхронного вращения ведущий ротор с уплотняющим выступом и ведомый ротор с двумя уплотняющими кромками и впадиной на внешней цилиндрической поверхности, кинематически связанные синхронизирующими шестернями.

В торцевых крышках корпуса выполнены впускные окна для продувки воздухом камеры сжатия, выпускные окна расположены в обечайке корпуса, камера сгорания находится внутри ведомого ротора. Профили роторов сопряжены между собой с минимальными зазорами и образуют таким образом рабочие камеры сжатия и расширения с бесконтактными уплотнениями. В отличие от известных планетарных схем простое вращательное движение роторов обеспечивает их высокие окружные скорости (50. ..150 м/с) и определяет уникальные массогабаритные показатели двигателя (удельная масса менее 0,1 кг/кВт). Кроме того, бесконтактные уплотнения - это наиболее прямой и эффективный путь создания адиабатного двигателя, радикальное решение проблем износа, ресурса, смазки, надежности, экономичности и экологичности двигателя.

Например, в изобретении [1] минимизация зазоров обеспечена беззазорной синхронизирующей передачей; устройство [2] реализует активное управление зазором с обратной связью путем регулирования теплового режима корпуса; патент [3] содержит описание особой лабиринтной структуры, обеспечивающей "реверс-эффект", т.е. возврат утечек в процессе расширения обратно в камеру расширения; в заявке [4] содержится способ уплотнения рабочих камер двигателя непосредственно в процессе работы путем конденсации и скоростного истирания в зазорах относительно мягких веществ. Однако использование рекуперации в двигателях упомянутых выше схем затруднительно, поскольку камера сгорания у них расположена внутри ведомого ротора и выполнить соединительные каналы между камерой сгорания (нагрева) и теплообменником-рекуператором непросто. Кроме того, известные роторные двигатели малой мощности (менее 100 кВт) характеризуются высокой частотой вращения вала (n ≈ 18000 об/мин), обеспечить при этом качественное и полное сгорание топлива, особенно при непосредственном впрыске его в камеру сгорания, сложно.

Задачей изобретения является повышение топливной экономичности и экологичности роторных двигателей.

Технический результат достигается тем, что роторный двигатель содержит корпус, во внутренней полости которого с возможностью однонаправленного вращения установлены ведущий ротор с уплотняющим выступом и ведомый ротор с двумя уплотняющими кромками и впадиной на внешней цилиндрической поверхности. Профили роторов выполнены винтовыми. Двигатель содержит камеру нагрева, расположенную в корпусе, снабженную теплообменником с внешним подводом тепла или топливной форсункой и свечой зажигания и сообщенную с камерами сжатия и расширения через распределительные перепускные каналы, выполненные на ведомом роторе и в корпусе. В корпусе роторного двигателя выполнена предкамера, вход которой сообщен через перепускные каналы с камерой сжатия, а выход предкамеры сообщен с камерой нагрева через дополнительный перепускной канал, выполненный на ведомом роторе. Предкамера может быть выполнена в виде вихревой трубы с топливной форсункой. В предкамере установлен теплообменник-рекуператор, вход греющего тракта которого соединен с выпускным патрубком двигателя, а выход - с внешней атмосферой или через холодильник с впускным патрубком двигателя. Распределительные перепускные каналы выполнены на внешней цилиндрической поверхности ведомого ротора в виде выемок с ребрами - переборками, при этом выемки тракта сжатия сообщены через отверстие с камерой расширения. Двигатель может содержать по меньшей мере две секции, при этом одноименные винтовые роторы секций имеют разное направление винтовой линии. Объем предкамеры соответствует одному или нескольким объемам единичных зарядов сжатого газа из камеры сжатия.

Предложенный способ работы двигателя, включает в себя следующие процессы.

В камере сжатия осуществляют предварительное сжатие, соединяют камеру сжатия с предкамерой с рекуператором и камерой нагрева и производят дополнительное сжатие с подогревом в рекуператоре, отсоединяют камеру нагрева от предкамеры и камеры расширения и производят нагрев газа при постоянном объеме. Затем соединяют камеру нагрева с камерой расширения и производят расширение газа до давления меньше, чем в предкамере, соединяют предкамеру с камерой нагрева и продувают ее сжатым газом из предкамеры, отсоединяют камеру расширения от камеры нагрева и продолжают расширение с последующим выпуском.

Заявлен еще один способ работы двигателя, включающий следующие процессы.

В камере сжатия осуществляют предварительное сжатие, затем соединяют камеру сжатия с предкамерой с рекуператором и осуществляют сжатие газа с подогревом его в рекуператоре, соединяют камеру нагрева с камерой расширения и осуществляют предварительное расширение нагретого ранее заряда до давления меньше, чем в предкамере, соединяют камеру нагрева с предкамерой и осуществляют расширение газа из предкамеры в камеру нагрева, отсоединяют камеру нагрева от предкамеры и камеры расширения и подводят тепло к газу, соединяют камеру нагрева с камерой расширения и осуществляют расширение газа до давления меньше, чем в предкамере, соединяют предкамеру с камерой нагрева и продолжают расширение газа до вытеснения нагретого газа из камеры нагрева свежим зарядом, отсоединяют камеру расширения от камеры нагрева и продолжают расширение нагретого газа в камере расширения с последующим выпуском.

На фиг. 1 изображен двигатель в поперечном разрезе по C-C и в плоскости торца ведущего ротора; на фиг. 2 - разрез по A-A; на фиг. 3 - вид B; на фиг. 4 - разрез по E-E в фазе начала процесса расширения; на фиг. 5 - вариант двигателя с длительным процессом нагрева (сгорания) заряда; на фиг. 6 - разрез по M-M; на фиг. 7 - разрез по K-K; на фиг. 8 - разрез по K-K для варианта с дисковым золотником; на фиг. 9 изображен вариант двухсекционного двигателя; на фиг. 10 приведена конструкция уплотнения с газовой смазкой.

Двигатель содержит корпус 1 с крышками 2,3. Во внутренней полости корпуса, образованной двумя пересекающимися цилиндрическими расточками, на подшипниках 4 установлены ведущий ротор 5 с уплотняющим выступом и ведомый ротор 6 с двумя уплотняющими кромками и впадиной на внешней цилиндрической поверхности. Роторы кинематически связаны синхронизирующей передачей, обеспечивающей их однонаправленное вращение с равной угловой скоростью (не изображена). В торцевых крышках имеются окна 7, соединенные с впускными патрубками 8. В обечайке корпуса выполнены выпускные окна 9, соединенные каналом 10 с лопаточным венцом турбины 11 активного типа, выполненным за одно целое с маховиком, неподвижно установленным на валу 12 ведущего ротора. Выход турбины 11 является направляющим аппаратом для турбины 13 турбокомпрессора наддува. В корпусе выполнены предкамера 14 и камера нагрева 15 с теплоизоляцией 16, которая может быть в виде камеры сгорания со свечой зажигания и топливной форсункой 17 или содержать противоточный нагреватель-теплообменник с внешним подводом тепла (например, подобно нагревателю двигателя Стирлинга). В предкамере 14 размещен рекуператор в виде противоточного компактного теплообменника 18, выполненного, например, в виде гофрированного листа из жаропрочной стали, причем гофры имеют еще и мелкие рифления, которыми они, перекрещиваясь, соприкасаются между собой во множестве точек и обеспечивают восприятие значительных перепадов давления. Греющий тракт 19 рекуператора патрубком 20 соединен с выпускным газопроводом турбины 13, а патрубком 21 - с холодильником (не показан) и последовательно с впускным патрубком турбокомпрессора (при замкнутом цикле). При разомкнутом цикле патрубок 21 соединен с атмосферой, которая выполняет функции большого холодильника. Объем предкамеры выполняется из условия размещения в нем одного заряда сжатого воздуха, нагнетаемого в предкамеру из камеры сжатия за один цикл.

Объем единичного заряда газа V_г.п. в предкамере определяется зависимостью: где V_к.с. - объем камеры сжатия; η_v - объемный КПД в процессе сжатия и вытеснения газа в предкамеру; ε - степень сжатия газа в камере сжатия в конце вытеснения его в предкамеру.

Профили роторов в осевом направлении закручены по винтовой линии; угол закрутки торцев в пределах длины рабочей камеры на фиг. 1, 2 составляет примерно 30^o. Исполнение роторов винтовыми позволяет устранить чрезмерно высокие скорости газа и гидродинамические потери в конце процесса сжатия и в начале процесса расширения, повысить плавность работы и равномерность крутящего момента.

На одном из цилиндрических концов внешней поверхности ведомого ротора выполнены перепускные распределительные каналы в виде выемок 22 с продольными ребрами-переборками 23. Выемки в конце процесса сжатия каналами 24 в крышке корпуса соединены со входом предкамеры и отверстием 25 в роторе сообщены с камерой расширения после фазы процесса расширения, соответствующей падению давления в камере расширения до уровня меньше давления в предкамере. На другом конце ведомого ротора выполнены перепускные каналы-выемки 26, посредством которых и отверстий 27, 28 предкамера 14 в процессе сжатия сообщена со входом камеры нагрева (сгорания) 15. Камера нагрева имеет форму сферы, компактного цилиндра или другого тела вращения, вход в нее 28 и выход 29 расположены тангенциально и разнесены в осевом направлении для обеспечения условий прямоточно-вихревой продувки; в начале процесса расширения выход 29 через перепускной канал 26 и выемку 30 в крышке корпуса соединен с камерой расширения. На этом же конце ведомого ротора имеется дополнительная выемка 31, посредством которой предкамера и камера нагрева соединяются, когда давление в камере расширения становится меньше давления в предкамере. На торцевых и цилиндрических поверхностях корпуса, сопряженных с роторами, целесообразна установка уплотнений с газовой смазкой 5, представляющих собой цельное или разрезное кольцо 32 (см. фиг. 10) с внутренней полостью, соединенной посредством патрубка 33 с источником сжатого воздуха, и дросселирующими отверстиями 34 - с макроканавками или карманами на уплотняющей поверхности кольца. Кольцо установлено в канавке корпуса и поджато волнистой пружиной 35. Испытания опытного образца подобного уплотнения подтвердили его высокую эффективность. Двигатель может быть выполнен двухсекционным с двумя рабочими полостями, разделенными средней крышкой 36 (см. фиг. 9) с общей синхронизирующей передачей с шестернями 37, 38 (третья промежуточная "паразитная" шестерня в этом разрезе не видна). Одноименные роторы в разных секциях имеют разное (правое и левое) направление винтовой линии, ведущие роторы (следовательно, и ведомые тоже) в разных секциях устанавливаются или синфазно (в этом варианте осевая компонента силы давления газов взаимно скомпенсирована), или в противофазе, т.е. со смещением на 180^o, (как на фиг. 9), что обеспечивает высокую равномерность крутящего момента и снижение пульсации потока газа в турбине 13. Выемки 26, 31 выполняются на ведомом роторе в противофазе, т.е. оппозитно, они общие для обеих полостей и функционируют с удвоенной интенсивностью, что сопровождается уменьшением пассивных объемов и утечек.

Способ работы двигателя включает следующие процессы. В камеру сжатия через патрубок 8 и окно 7 подают сжатый воздух от турбокомпрессора и осуществляют в камере сжатия предварительное сжатие воздуха до давления примерно 10 бар.

После этого камера сжатия выемками 22 и каналами 24 соединяется со входом рекуператора 18 в предкамере 14, а выход рекуператора через канал 27, выемку 26 и канал 28 соединяется с камерой нагрева 15, и осуществляют дополнительное сжатие. При этом сжатый воздух в рекуператоре теплом выпускных газов подогревается от 590 до 1400 K и поступает в камеру нагрева.

В конце процесса сжатия давление воздуха возрастает до 23 бар, температура его в камере нагрева вследствие адиабатического сжатия в последней достигает примерно 1600 K. После этого отсоединяют камеру нагрева от предкамеры и камеры расширения и через форсунку 17 впрыскивается топливо (или осуществляется нагрев от внешнего источника тепла через теплообменник), которое воспламеняется от высокой температуры воздуха и быстро сгорает при постоянном объеме камеры нагрева, температура газа возрастает до ~2800 K, фаза сгорания при постоянном объеме соответствует углу ~40^o поворота роторов, давление до ~42 бар.

Затем соединяют камеру нагрева с камерой расширения 39 через канал 29 и через выемки 26 и 30, где нагретый газ предварительно расширяют до давления меньше, чем в предкамере (примерно до 22 бар).

В этот момент предкамера снова соединяется с камерой нагрева посредством дополнительной выемки 31 и последующее расширение происходит одновременно в камере расширения, камере нагрева и в предкамере, причем воздух из предкамеры продувает камеру нагрева, устраняя отрицательный эффект остаточных газов. По окончании продувки камера нагрева разобщается с камерой расширения при давлении газа порядка 10 бар, дальнейшее расширение происходит в камере расширения до открытия выпускного окна 9. Выпускные газы через канал 10 поступают в активную турбину 11, являющуюся одновременно маховиком, затем срабатывают в турбине 13 турбокомпрессора, поступают через патрубок 20 в греющий тракт 19 рекуператора, отдают тепло рабочему телу, выходят через патрубок 21 в холодильник (или в атмосферу) и при замкнутом цикле - во впускной патрубок турбокомпрессора. Сжатый воздух, оставшийся в каналах 22, через отверстия 25 поступает в камеру расширения и совершает в ней полезную работу.

Конструкция двигателя с золотниковым газораспределением посредством перепускных каналов-выемок позволяет исключить из устройства клапаны, повысить надежность и быстроходность.

Возможны упрощенные варианты конструкции с реализацией традиционных способов работы. Например, двигатель может быть выполнен без предкамеры и дополнительных выемок 31, при этом камера нагрева соединяется через перепускные каналы 26, 22 непосредственно с камерами расширения и сжатия.

В другой версии предкамера остается, но она исполняется без рекуператора в виде вихревой трубы, снабженной устройством впрыска топлива и приготовления бензовоздушной смеси, которая воспламеняется в камере сгорания свечой зажигания, при этом распространение пламени в предкамеру устраняется большой скоростью смеси в перепускных каналах, превышающей скорость распространения фронта пламени. Фиг. 5, 6, 7, 8 иллюстрируется устройство и способ работы двигателя, в которых значительно усилены преимущества, упомянутые выше. Перепускные каналы тракта сжатия устроены аналогично фиг. 1, 2, 3, объем предкамеры 14 с рекуператором выполнен больше, он включает несколько (2...10) - единичных объемов, поступающих из камеры сжатия за один цикл. Изменено фазовое положение дополнительной выемки 31. Каналы 26 выполнены с ребрами-переборками. Выход их открывается непосредственно в камеру расширения 39 (без фаски 30), что сокращает пассивный объем выемок и длину ведомого ротора для их размещения. Переборки позволяют уменьшить гидродинамические потери от ударного расширения газа в объем выемок при их наполнении и снизить утечки в зазорах между роторами в момент сопряжения каналов-выемок с поверхностью ведущего ротора. На фиг. 8 изображен еще один вариант исполнения перепускных каналов, в нем ведущий ротор снабжен дисковым выступом 40, в котором выполнено перепускное окно 41, соединяющее камеру нагрева с камерой расширения. Аналогично выполнен перепускной канал тракта сжатия. Этот вариант характеризуется уменьшенным пассивным объемом окна 41 и меньшим гидродинамическим сопротивлением вследствие малого угла поворота струи. Недостаток - некоторое усложнение конструкции и сборки узла.

Способ работы двигателя включает следующие процессы. В камере сжатия осуществляют предварительное сжатие. Затем соединяют камеру сжатия с предкамерой с рекуператором и осуществляют сжатие газа с подогревом его в рекуператоре. Камеру нагрева 15 через каналы 29, 26 соединяют с камерой расширения 39 и осуществляют предварительное расширение нагретого ранее заряда до давления меньше, чем в предкамере. Далее камеру нагрева через каналы 28, 31, 27 соединяют с предкамерой 14 и в фазе работы, соответствующей фиг. 5, происходит расширение газа из предкамеры в камеру нагрева, а из последней - в камеру расширения. После продувки камеры нагрева она отсоединяется от предкамеры и камеры расширения, в нее впрыскивается топливо, происходит воспламенение с весьма длительным процессом сгорания (фаза сгорания в изолированном постоянном объеме может длиться до ~300^o угла поворота роторов) оптимальная длительность его регулируется обычным образом путем изменения угла опережения впрыска. Большая длительность нагрева целесообразна также при использовании нагревателя-теплообменника с внешним подводом тепла.

Соединяют камеру нагрева с камерой расширения и осуществляют расширение газа до давления меньше, чем в предкамере. Соединяют предкамеру с камерой нагрева и продолжают расширение газа до вытеснения нагретого газа из камеры нагрева свежим зарядом. Отсоединяют камеру расширения от камеры нагрева и продолжают расширение нагретого газа в камере расширения с последующим выпуском.

Для успешной реализации двигателя с бесконтактными уплотнениями он должен быть весьма быстроходным. Например, двигатель с размерами, соответствующими фиг. 1,5, может при мощности ~50 кВт иметь номинальные обороты вала примерно 24000 об/мин, в этих условиях большая фазовая длительность представляется необходимой для качественного и полного сгорания топлива.

Увеличение объема предкамер с рекуператором в несколько раз соответственно повышает полноту теплообмена и эффективность рекуператора.

Теплообменные поверхности рекуператора и нагревателя целесообразно покрыть, например, каталитическими нейтрализаторами для устранения токсичности выхлопа. Бесконтактные уплотнения рабочих камер не нуждаются в смазке, благодаря чему устраняются обусловленные выбросом масла нагар и другие отложения в теплообменниках-нейтрализаторах, снижающие надежность последних.

Приведенный выше способ работы может быть изменен. Вытеснение газа из камеры сжатия и расширение из камеры нагрева могут происходить одновременно, но для этого нужна сильная винтовая закрутка роторов с относительно малым шагом винтовой линии, при которой профили на торцах роторов развернуты примерно на 180^oС. При двухсекционном исполнении двигателя роторы могут иметь обычную винтовую закрутку (~ 30 ), в противофазе в смежных секциях (т.е. должны быть развернуты в разных секциях на 180^o), при этом сжатие происходит в одной секции, а одновременное расширение - в другой; причем возможно использование одной общей камеры нагрева.

Двигатель работоспособен в качестве паровой машины с двухфазным рабочим телом, например, с водой, фреоном, углекислотой и т.п. Предложенные способы работы пригодны для реализации в поршневых двигателях с соответствующим этим способам алгоритмом клапанного или золотникового газораспределителя.

Формула изобретения

1. Роторный двигатель, содержащий корпус во внутренней полости которого с возможностью однонаправленного вращения установлены ведущий ротор с уплотняющим выступом и ведомый ротор с двумя уплотняющими кромками и впадиной на внешней цилиндрической поверхности, камеры сжатия, нагрева и расширения, впускной и выпускной патрубки, отличающийся тем, что камера нагрева расположена в корпусе, снабжена теплообменником с внешним подводом тепла или топливной форсункой и свечой зажигания и сообщена с камерами сжатия и расширения через распределительные перепускные каналы, выполненные на ведомом роторе и в корпусе, а профили роторов выполнены винтовыми.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в корпусе выполнена предкамера, вход которой сообщен через перепускные каналы с камерой сжатия, а выход - через дополнительный перепускной канал, выполненный на ведомом роторе, с камерой нагрева.

3. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что предкамера выполнена в виде вихревой трубы с топливной форсункой.

4. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что в предкамере установлен теплообменник-рекуператор, вход греющего тракта которого соединен с выпускным патрубком двигателя, а выход - с внешней атмосферой или через холодильник с впускным патрубком двигателя.

5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что распределительные перепускные каналы выполнены на внешней цилиндрической поверхности ведомого ротора в виде выемок с ребрами-переборками, при этом выемки тракта сжатия сообщены через отверстие с камерой расширения.

6. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что он содержит, по меньшей мере, две секции, при этом одноименные винтовые роторы секций имеют разное направление винтовой линии.

7. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что объем предкамеры соответствует одному или нескольким объемам единичных зарядов сжатого газа из камеры сжатия.

8. Способ работы двигателя, включающий наполнение газом камеры сжатия, его сжатие, нагрев в камере нагрева, расширение и выпуск из камеры расширения, отличающийся тем, что в камере сжатия осуществляют предварительное сжатие, соединяют камеру сжатия с предкамерой с рекуператором и камерой нагрева и производят дополнительное сжатие с подогревом в рекуператоре, отсоединяют камеру нагрева от предкамеры и камеры расширения и производят нагрев газа при постоянном объеме, соединяют камеру нагрева с камерой расширения и производят расширение газа до давления меньшего, чем в предкамере, соединяют предкамеру с камерой нагрева и продувают ее сжатым газом из предкамеры, отсоединяют камеру расширения от камеры нагрева и продолжают расширение с последующим выпуском.

9. Способ работы двигателя, включающий наполнение газом камеры сжатия, его сжатие, нагрев в камере нагрева, расширение и выпуск из камеры расширения, отличающийся тем, что в камере сжатия осуществляют предварительное сжатие, затем соединяют камеру сжатия с предкамерой с рекуператором и осуществляют сжатие газа с подогревом его в рекуператоре, соединяют камеру нагрева с камерой расширения и осуществляют предварительное расширение нагретого ранее заряда до давления меньшего, чем в предкамере, соединяют камеру нагрева с предкамерой и осуществляют расширение газа из предкамеры в камеру нагрева, отсоединяют камеру нагрева от предкамеры и камеры расширения и подводят тепло к газу, соединяют камеру нагрева с камерой расширения и осуществляют расширение газа до давления меньшего, чем в предкамере, соединяют предкамеру с камерой нагрева и продолжают расширение газа до вытеснения нагретого газа из камеры нагрева свежим зарядом, отсоединяют камеру расширения от камеры нагрева и продолжают расширение нагретого газа в камере расширения с последующим выпуском.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10