Роторный секторный двигатель

Изобретение относится к машиностроению. Роторный секторный двигатель внутреннего сгорания содержит корпус-статор с полостью цилиндрической формы, вал и диск ротора. В основных секторах корпуса-статора выполнены элементы рабочих камер с впускными каналами, исходящими соплами и установлены свечи зажигания. На диске ротора в заполняющих секторах выполнены элементы рабочих камер, которые при вращении диска ротора в корпусе-статоре последовательно составляются в камеры-дозаторы с впускными каналами, в камеры сгорания со свечами зажигания и исходящими соплами. Открытие и закрытие впускных каналов и исходящих сопел производится диском ротора. В работе двигателя в основном секторе задействованы первичные и вторичные камеры сгорания. В полости корпуса-статора выполнены части сопельных аппаратов, которые при вращении диска ротора образуют подвижные сопельные аппараты, по которым направляется продукт на передние стенки камер сгорания. Полный оборот вала двигателя осуществляется при срабатывании количества камер сгорания, равного произведению квадрата количества основных секторов, принятых на двигателе, на количество заполняющих секторов в основном секторе и на количество участвующих одновременно в цикле (рабочий ход) первичных и вторичных камер сгорания в основном секторе. Обеспечивается приложение кинетической энергии продукта с подвижных камер сгорания на диск ротора в нескольких точках по окружности полости корпуса-статора и многократное участие в работе одних и тех же камер сгорания при одном обороте ротора. Техническим результатом является повышение удельной мощности двигателя. 4 з.п. ф-лы, 12 ил.

 

Изобретение относится к машиностроению, к двигателям внутреннего сгорания без использования коленчатого вала, в которых используется работа импульсов возгорания, расширения продуктов сгорания топлива, которые воспринимаются стенками камер сгорания на диске ротора вращения вала в полости корпуса-статора.

По способам смесеобразования - двигатель с внешним смесеобразованием жидкого топлива в трубопроводе с последующим впрыскиванием насосом и газосмесителем при подаче горючей смеси газообразного топлива и воздуха через смеситель и со смешанным смесеобразованием при использовании в двигателях внутреннего сгорания новых фракций, которые ранее не использовались. Зажигание выполнено в виде электрических свечей.

Известные двигатели внутреннего сгорания по способу передачи крутящего момента на вал двигателя разделяются на двигатели с коленчатым валом и без коленчатого вала.

Известны поршневые двигатели внутреннего сгорания, в которых работа расширения продуктов сгорания топлива воспринимается в цилиндре поршнем и возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное при помощи механизма, включающего коленчатый вал. Поршень в цилиндре в режиме максимальной мощности двигателя разгоняется в десятки тыс. раз в минуту и столько же раз останавливается. Удары переходов движения поршней принимает на себя кривошипный механизм, а через него передается блоку цилиндров, картеру - всей конструкции. На это тратится какая-то часть мощности двигателя. Возникает вибрация.

Это самый распространенный тип двигателя внутреннего сгорания в настоящее время.

Известны устройства двигателей внутреннего сгорания без использования коленчатого вала, в которых расширения продуктов сгорания воспринимаются либо рабочими лопатками, либо камерами сгорания, закрепленными на дисках или барабанах вращения вала.

Этот тип двигателя внутреннего сгорания устраняет недостатки двигателей внутреннего сгорания поршневого типа.

Конструкции двигателей внутреннего сгорания без использования коленчатого вала можно разделить на две конструкции. В первой - работа расширения продуктов сгорания воспринимается рабочими лопатками, закрепленными на дисках или барабанах вращения вала, у которых между краями лопастей и внутренними гранями полости корпуса-статора остается зазор между краями стенок камер сгорания и внутренней полостью проема и - в корпусе-статоре зазор полностью перекрывается - камеры сгорания в двигателе герметичны.

К первым относятся турбинные, газотурбинные и турбовинтовые двигатели, в которых работа расширения продуктов сгорания топлива воспринимается рабочими лопатками, закрепленными в дисках или барабанах вращения вала. Камеры сгорания непрерывного действия постоянной формы (ПФ) и постоянного объема (ПО) установлены непосредственно и неподвижно на корпусе-статоре двигателя. Такие двигатели в основном применяются в авиационных силовых установках.

Известны двигатели внутреннего сгорания без использования коленчатого вала - роторные двигатели внутреннего сгорания, в которых используется работа импульса возгорания и расширения продуктов сгорания топлива, которые воспринимаются стенками герметичных камер сгорания на диске ротора вращения вала в полости корпуса-статора.

Роторный секторный двигатель внутреннего сгорания (РСДВС) (см. патенты RU №2235895, опубл. 10.09.2004, №2301900, "опубл. 27.06.2007) - аналог содержит корпус-статор с полостью правильной цилиндрической формы, в которой на прямолинейном валу установлен диск ротора с элементами рабочих камер ПФ и ПО. На корпусе-статоре выполнены элементы рабочих камер с впускными, выпускными и продувочными каналами и установленными электрическими свечами зажигания. В процессе вращения элементы рабочих камер на диске ротора и на корпусе-статоре совмещаются и образуются камеры-дозаторы, в которые задается определенная последующая порция рабочей смеси, - камеры сгорания со свечами зажигания и с выпускными каналами. В этих рабочих камерах происходят процессы двигателя внутреннего сгорания.

При внешнем смесеобразовании жидкое топливо впрыскивается под давлением, газовая рабочая смесь подается через газосмеситель, многокомпонентное топливо подается смешанным способом.

Открытие и закрытие впускных, выпускных и продувочных каналов осуществляется диском ротора при вращении.

Процессы в основных секторах двигателя прокетают одновременно, чем обеспечивается многократное приложение активно действующих сил в нескольких точках по окружности правильной цилиндрической формы полости корпуса-статора на диск ротора, что обеспечивает многократное участие в работе одних и тех же камер сгорания при одном обороте вала двигателя.

Полный оборот вала двигателя осуществляется при срабатывании количества камер сгорания на двигателе «К», равного произведению квадрата количества основных секторов «n», принятых на двигателе, на количество заполняющих секторов в основном секторе и на количество участвующих одновременно в цикле - рабочий ход камер сгорания в основном секторе двигателя. Минимальное количество рабочих камер в основном секторе РСДВС «С» - три. Одна - на корпусе-статоре состоит из части, представленной рабочей камерой с впускным каналом - «а». Вторая - часть камеры сгорания с установленной в ней свечой зажигания «f₂», третья состоит из части камеры сгорания с выпускным каналом «V».

И в описании, и на чертежах, и в формуле изобретения РСДВС по патентам RU №2235895, 2301900 и №2301349 - роторный секторный турбодвигатель - отсутствует упоминание о возможном использовании в качестве уплотнения камер сгорания уплотнительных роликов, а также отсутствует упоминание о возможном использовании кинетической энергии потока продукта на передние стенки камер сгорания для осуществления привода вращения диска ротора в полости корпуса-статора и использовании вторичных камер сгорания.

Результатом изобретения является устранение перечисленных недостатков и повышение удельных показателей РСДВС.

С этой целью на диске ротора, по границам заполняющих секторов, в пазах устанавливаются уплотнительные ролики на фасонных пружинах и на внутренней поверхности корпуса-статора выполняются желоба - части сопельных аппаратов - до исходящих сопел.

По изобретению роторный секторный двигатель внутреннего сгорания содержит корпус-статор с полостью цилиндрической формы, в которой на валу установлен диск ротора. Корпус-статор и диск ротора разделены на основные и заполняющие секторы. Основные секторы состоят из заполняющих секторов. В основных секторах корпуса-статора выполнены элементы рабочих камер с впускными каналами, исходящими соплами и установлены свечи зажигания. На диске ротора в заполняющих секторах выполнены элементы рабочих камер, которые при вращении диска ротора в корпусе-статоре последовательно составляются в камеры-дозаторы с впускными каналами, камеры сгорания со свечами зажигания и исходящими соплами. В рабочих камерах протекают процессы двигателя внутреннего сгорания, причем во всех основных и заполняющих секторах одновременно. При внешнем смесеобразовании жидкое топливо впрыскивается под давлением или газовая рабочая смесь подается через газосмеситель. Открытие и закрытие впускных каналов и исходящих сопел производится диском ротора при вращении. Отличается двигатель тем, что в работе двигателя в основном секторе задействованы первичные и вторичные камеры сгорания. В полости корпуса-статора выполнены части сопельных аппаратов, которые при вращении диска ротора образуют подвижные сопельные аппараты, по которым направляется продукт на передние стенки камер сгорания. Полный оборот вала двигателя осуществляется при срабатывании количества камер сгорания, равного произведению квадрата количества основных секторов, принятых на двигателе, на количество заполняющих секторов в основном секторе и на количество участвующих одновременно в цикле (рабочий ход) первичных и вторичных камер сгорания в основном секторе при обеспечении приложения кинетической энергии продукта с подвижных камер сгорания на диск ротора в нескольких точках по окружности полости корпуса-статора и многократного участия в работе одних и тех же камер сгорания при одном обороте ротора. В работе двигателя используются как первичные, так и вторичные камеры сгорания, образующиеся из частей смежных заполняющих секторов. Минимальное количество заполняющих секторов в основном секторе двигателя возможно как три, так и два, при установке свечи зажигания во вторичной камере сгорания, образованной из частей смежных заполняющих секторов. На диске ротора на граничных частях заполняющих секторов в пазах установлены уплотнительные ролики на фасонных пружинах. На одном прямолинейном валу единого агрегата размещаются несколько таких двигателей. С применением сопельного аппарата в РСДВС полнее используется продукт. Уплотнительные ролики заменили трение пластин на качение роликов, уменьшили износ поверхности диска ротора и внутренней поверхности проема корпуса-статора при сохранении качества герметичности конструкции.

Изобретение поясняется при помощи чертежей.

Фиг.1 - роторный секторный двигатель с подвижным сопельным аппаратом типа ; ;

Фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;

Фиг.3 - разрез В-В на фиг.1;

Фиг.4 - уплотнительный ролик (элемент F);

Фиг.5 - уплотнительный ролик (разрез R-R);

Фиг.6 - РСДВС типа - поворот диска ротора на 15°;

Фиг.7 - РСДВС типа - поворот ротора на величину открытия окна сопельного аппарата;

Фиг.8 - РСДВС типа - поворот диска ротора на величину на 30°;

Фиг.9 - РСДВС типа - поворот диска ротора на величину на 45°;

Фиг.10 - РСДВС типа - поворот диска ротора на величину на 60°;

Фиг.11 - РСДВС типа - поворот диска ротора на величину на75°;

Фиг.12 - РСДВС типа - поворот диска ротора на величину на величину первого основного сектора 90°;

Условимся: минимальное количество заполняющих секторов в основном секторе в данном типе РСДВС принято: «С₁» равно двум - заполняющий сектор «a» с входным каналом и заполняющий сектор «v» с окном исходящего сопла; дополнительный заполняющий сектор в основном секторе, установленный в основном секторе двигателя, после заполняющего сектора со свечой зажигания обозначается буквой «b₁». Индекс «1» при букве обозначает, что в дополнительном заполняющем секторе не установлена свеча зажигания и отсутствует окно исходящего сопла; подвижная вторичная камера сгорания, образованная из частей смежных подвижных камер сгорания - части первичной подвижной дозаторной камеры «а» и другой части - части дополнительной подвижной камеры «b», обозначим «da₂». Индекс при букве «а₂» - 2 показывает, что во вторичной подвижной камере сгорания установлена свеча зажигания; подвижная вторичная камера сгорания, образованная из частей подвижных смежных камер сгорания «b₁» и части подвижной камеры сгорания смежной с ней «v», обозначим «db₁».

Заполняющие секторы и подвижные рабочие камеры в них имеют одно обозначение.

Обозначения на чертеже частей рабочих камер на корпусе-статоре выполнено цифрами: впереди с нолем. Например 01.1 - обозначает часть рабочей камеры на корпусе-статоре первого основного сектора первого заполняющего сектора и т.д.

Роторный секторный двигатель типа , как все типы РСДВС (см. фиг.1÷12), содержит корпус-статор 1 с полостью 2 цилиндрической формы, в которой на прямолинейном валу 3 установлен диск ротора 4. Корпус-статор 1 и диск ротора 4 поделены на основные 10 и заполняющие секторы, которые на чертеже выделены пунктирными линиями. На диске ротора в заполняющих секторах выполнены элементы подвижных первичных рабочих камер 5 и вторичных подвижных камер 5.1 (фиг.6). На диске ротора 4 выполнены двенадцать заполняющих секторов с элементами подвижных рабочих камер.

В корпусе-статоре 1 выполнено в заполняющих секторах по основным секторам четыре впускных канала 6, четыре исходящих сопла 7, четыре части сопельных аппаратов 8, установлено четыре электрических свечи зажигания 9 в частях вторичных камер сгорания 5.1 (фиг.6).

Корпус-статор 1 и диск ротора 4 содержат четыре основных сектора 10. Каждый основной сектор 10 содержит три заполняющих сектора с элементами подвижных первичных рабочих камер 5 и вторичных 5.1 подвижных камер сгорания. В основном секторе 10 этого типа РСДВС рабочие камеры сопрягаются в подвижную дозаторную камеру с впускным каналом на корпусе-статоре «а», подвижную вторичную камеру сгорания «da₂» со свечей зажигания, составленную из смежных частей - части подвижной камеры с впускным каналом «а» и части в дополнительном секторе «b₁» - подвижной камеры сгорания «b₁», установленной в основном секторе 10 после свечи зажигания в основном секторе двигателя основного типа двигателя (см. патент RU №2301900, стр.6). - подвижной вторичной камеры сгорания «db₁» и подвижной камеры сгорания с исходящим соплом «V».

По границам заполняющих секторов на диске ротора в пазах 11 установлены уплотнительные ролики 12 на фасонных пружинках 13. При вращении диска ротора 4 в полости 2 корпуса-статора 1 части подвижных рабочих камер составляются в подвижные рабочие камеры 5 и 5.1. На диске ротора части первичных подвижных камер на чертеже обозначены: 1.1, 1.2, 1.3, где первая цифра обозначает номер основного сектора. Вторая цифра обозначает номер заполняющего сектора с частью подвижной первичной камеры.

На корпусе-статоре части подвижных первичных камер обозначены: 01.1…, 0.2.1…, 0 3.1…, 0.4.1….

Прочтем шифр 0.2.3 - часть первичной рабочей камеры на корпусе-статоре во втором основном секторе третьего заполняющего сектора.

При внешнем смесеобразовании жидкое топливо впрыскивается под давлением, газовая или сложные фракции рабочей смеси подаются через газосмеситель или дополнительный смеситель (не показано).

РСДВС работает следующим образом. В положении диска ротора 4, показанном на фиг.1, подвижные первичные рабочие камеры 5 совпали с элементами подвижных рабочих камер на корпусе статора в основном секторе 10. Часть подвижной первичной рабочей камеры 1.1 на диске ротора совместилась с частью первичной подвижной рабочей камеры 0.1.1 на корпусе-статоре с впускным каналом 6. В подвижную первичную рабочую камеру-дозатор 1.1 продолжает поступать рабочая смесь с впускного канала 6. Стартер (не показано) вращает диск ротора и подвижная первичная рабочая камера на диске ротора 1.1 своими крайними частями, с одной стороны, перекрывает впускной канал 6, с другой - находится на середине подвижной первичной рабочей камеры на корпусе-статоре 0.1.2 фиг.6. Свеча зажигания 9 находится по середине образовавшейся подвижной вторичной камеры сгорания «da₂». На свечу зажигания 9 подается электрический ток. Рабочая смесь воспламеняется. Действующие силы импульса вспышки смеси и горючих газов с высоким давлением толкают переднюю стенку подвижной камеры сгорания 1.1 и диск ротора поворачивается и открывает окно образовавшегося (см. фиг.7) подвижного сопельного аппарата 8, Горячий газ с высоким давлением устремляется в образовавшийся сопельный аппарат, с одной стороны, увлекает переднюю стенку подвижной камеры сгорания 1.1, с другой стороны, толкает переднюю стенку подвижной камеры сгорания 4.3 до полного открытия (фиг.8) окна исходящего сопла 7. Подвижная камера 1.1 проходит отрезок к 01.2 (фиг.9) и входит в район открытого окна исходящего сопла 7 (фиг.10). В этом промежутке на переднюю стенку подвижной камеры 1.1 действуют два потока струй газа: один тот, который начал «толкать» и второй - «догоняющий» от подвижной камеры сгорания 1.2. В это время подвижная рабочая камера 1.3 с порцией рабочей смеси (фиг.11) подходит к участку 01.1-01.2 на корпусе-статоре с установленной свечей зажигания 9. При противостоянии на свечу зажигания 9 подается электрический ток. Искра. Импульс вспышки рабочей смеси. Под действием возрастающего давления на переднюю стенку подвижной камеры сгорания 1.3 диск ротора 4 поворачивается и подводит подвижную камеру 1.3 к открытию окна в подвижный сопельный аппарат, повторяя прохождение камеры 1.1 этот участок корпуса-статора (фиг.7, 8). Горячий газ высоким давлением врывается в подвижный сопельный аппарат 8 и одновременно давит на переднюю стенку подвижной камеры сгорания 1.3, а «догоняющей» струей подталкивает переднюю стенку подвижной камеры 1.2 к позиции 01.3 на корпусе-статоре с исходящим соплом 7 (фиг.12), а подвижную рабочую камеру 1.1 ставит в позицию 02.1 с открытым окном впускного канала 6 в корпусе-статоре.

В подвижную рабочую камеру 1.1 поступает новая порция рабочей смеси. Камера сгорания 1.1 прошла в полости 2 корпуса-статора один основной сектор корпуса-статора. Этот же путь проходят последовательно и одновременно камеры 1.2, 1.3. Камера 1.1, вращаясь, проходит последующие основные секторы - второй, третий и четвертый, завершая оборот. В такой же последовательности и одновременно с первым основным сектором с отставанием на величину заполняющего сектора этот путь проходят следующие три основных сектора - второй, третий и четвертый, завершая полный оборот диска ротора в полости корпуса-статора. Открытие и закрытие впускных каналов 6 и исходящих сопел 7, образование сопельных аппаратов 8 осуществляется диском ротора 4 при его вращении.

На одном прямолинейном валу единого агрегата устанавливается несколько таких двигателей.

Полный оборот вала двигателя, как во всех РСДВС, осуществляется при срабатывании количества подвижных первичных и вторичных камер сгорания на двигателе, равное произведению квадрата количества основных секторов, принятых на двигателе, на количество заполняющих секторов в основном секторе и на количество участвующих одновременно в цикле - рабочий ход - подвижных первичных и вторичных камер сгорания в основном секторе; при обеспечении одновременно многократного приложения кинетической энергии продукта с подвижных камер сгорания на диск ротора в нескольких точках по окружности полости корпуса-статора и многократное участие в работе одних и тех же камер сгорания при одном обороте ротора.

Для рассматриваемого типа РСДВС общее количество участвующих подвижных камер сгорания (первичных и вторичных) равно m(c₁+b₁)n², где «m» - количество одновременно участвующих в работе подвижных первичных и вторичных камер сгорания в цикле-рабочий ход - в основном секторе двигателя. Участвовали подвижные камеры сгорания: вторичная камера сгорания со свечей зажигания «da₂», дополнительная первичная камера «b₁», вторичная камера сгорания «db₁» и камера сгорания в заполняющем секторе «v» с исходящим соплом. Итого в одном основном секторе в цикле (рабочий ход) работает четыре подвижные камеры сгорания. Общее количество участвующих подвижных камер сгорания в одном обороте вала двигателя типа оставляет 3·4·4² и равно 192 камеры сгорания.

Заметим, что части сопельных аппаратов 8 не нарушают герметичность основных секторов корпуса-статора.

Выполнение частей сопельных аппаратов 8 возможно во внутренней полости корпуса-статора всех типов РСДВС, приводимых в патентах RU №2235895, 2301900,2301349.

РСДВС с подвижным сопельным аппаратом увеличивает спектр применяемой рабочей смеси.

Уплотнительные ролики на диске ротора уменьшают трение диска ротора по сравнению с уплотнительными пластинами в проеме корпуса-статора, уменьшается износ проема корпуса-статора и диска ротора при равных условиях по герметизации основных секторов уплотнительными пластинами.

Роторный секторный двигатель можно устанавливать с газовой турбиной на одном валу или на одной оси для более полного использования кинетической энергии газа.

1. Роторный секторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус-статор с полостью цилиндрической формы, в которой на валу установлен диск ротора, корпус-статор и диск ротора разделены на основные и заполняющие секторы, основные секторы состоят из заполняющих секторов, в основных секторах корпуса-статора выполнены элементы рабочих камер с впускными каналами, исходящими соплами и установлены свечи зажигания, на диске ротора в заполняющих секторах выполнены элементы рабочих камер, которые при вращении диска ротора в корпусе-статоре последовательно составляются в камеры-дозаторы с впускными каналами, в камеры сгорания со свечами зажигания и исходящими соплами, в рабочих камерах протекают процессы двигателя внутреннего сгорания, причем во всех основных и заполняющих секторах одновременно при внешнем смесеобразовании жидкое топливо впрыскивается под давлением или газовая рабочая смесь подается через газосмеситель, открытие и закрытие впускных каналов и исходящих сопел производится диском ротора при вращении, отличающийся тем, что в работе двигателя в основном секторе задействованы первичные и вторичные камеры сгорания, в полости корпуса-статора выполнены части сопельных аппаратов, которые при вращении диска ротора образуют подвижные сопельные аппараты, по которым направляется продукт на передние стенки камер сгорания и полный оборот вала двигателя осуществляется при срабатывании количества камер сгорания, равного произведению квадрата количества основных секторов, принятых на двигателе, на количество заполняющих секторов в основном секторе и на количество участвующих одновременно в цикле (рабочий ход) первичных и вторичных камер сгорания в основном секторе, при обеспечении приложения кинетической энергии продукта с подвижных камер сгорания на диск ротора в нескольких точках по окружности полости корпуса-статора и многократного участия в работе одних и тех же камер сгорания при одном обороте ротора.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в работе двигателя используются как первичные, так и вторичные камеры сгорания, образующиеся из частей смежных заполняющих секторов.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что минимальное количество заполняющих секторов в основном секторе двигателя возможно как три, так и два, при установке свечи зажигания во вторичной камере, образованной из частей смежных заполняющих секторов.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что на диске ротора на граничных частях заполняющих секторов в пазах установлены уплотнительные ролики на фасонных пружинах.

5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что на одном прямолинейном валу единого агрегата размещаются несколько таких двигателей.