роторный двигатель авдеева

Формула изобретения

Роторный двигатель, содержащий корпус и вращающийся в нем ротор, отличающийся тем, что ротор выполнен в виде тела вращения с герметичным прилеганием его наружной окружной поверхности к внутренней окружной поверхности корпуса, на корпусе равномерно по окружности установлены рабочие камеры, имеющие форму тела вращения, и каждая рабочая камера снабжена одним окном, выполненным по всей длине рабочей камеры и совмещенным с соответствующим окном в корпусе двигателя, в каждой рабочей камере установлена перегородка, разделяющая рабочую камеру на основную и дополнительную части, при этом основная часть рабочей камеры предназначена для осуществления термодинамического цикла двигателя внутреннего сгорания, а дополнительная часть рабочей камеры предназначена для заполнения дополнительным воздухом, не участвующим в процессе сгорания топлива, внутри ротора установлен воздушный канал для подвода воздуха к рабочим камерам, при этом входное окно воздушного канала расположено на радиальной поверхности ротора, а выходное окно воздушного канала расположено на наружной окружной поверхности ротора, внутри ротора установлен выпускной канал для отвода продуктов сгорания из рабочих камер в процессе их продувки и заполнения воздухом, при этом входное окно выпускного канала расположено на наружной окружной поверхности ротора, а выходное окно выпускного канала расположено на радиальной поверхности ротора, выходное окно воздушного канала и входное окно выпускного канала имеют участки одновременного совмещения с окнами рабочих камер для продувки и заполнения рабочих камер воздухом, внутри ротора установлен рабочий канал для выпуска горячего газа и дополнительного воздуха из рабочих камер и преобразования их избыточной энергии в крутящий момент на роторе двигателя, при этом входное окно рабочего канала расположено на наружной окружной поверхности ротора, а выходное окно рабочего канала расположено на радиальной поверхности ротора, в роторе установлены перепускные каналы, каждый из которых имеет впускное и выпускное окна на наружной окружной поверхности ротора и предназначен для соединения между собой при вращении ротора основных частей рабочих камер, в которых процесс сгорания топлива завершился, и основных частей рабочих камер, заполненных воздухом, для осуществления процесса сжатия воздуха, выходные участки перепускных каналов выполнены примыкающими к наружной стенке ротора в преимущественно окружном направлении для тангенциального подвода перепускаемого газового потока в основные части рабочих камер, на внешней окружной поверхности ротора выполнен соединительный канал, предназначенный для соединения в процессе вращения ротора основных частей рабочих камер после перепуска из них горячего газа с дополнительными частями рабочих камер, заполненными дополнительным воздухом, для осуществления сжатия дополнительного воздуха.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к двигателестроению.

Известен роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания, в цилиндрическом корпусе которого установлены на валах, проходящих по оси корпуса, две лопасти, делящие полость корпуса на четыре замкнутых объема - рабочие камеры. Механизм связи лопастей, состоящий из рычага, закрепленного на валу одной лопасти и соединенного шатуном с кривошипом на зубчатом колесе, установленном на оси рычага второй лопасти и обкатывающемся по закрепленной на корпусе неподвижной шестерне, обеспечивает при вращении ротора изменение взаимного положения лопастей и, соответственно, изменение объемов рабочих камер, что позволяет осуществить в них термодинамический цикл двигателя внутреннего сгорания (Г.Г.Гуськов. Необычные двигатели. Издательство "Знание". Москва. 1971. Стр.23-25).

Существенным недостатком роторно-лопастного двигателя является невысокая долговечность механизма связи лопастей, обеспечивающего требуемое движение одной лопасти относительно другой. Связанное с этим ограничение ресурса не позволяет роторно-лопастным двигателям найти широкое практическое применение.

Наиболее близким к заявленному роторному двигателю по технической сущности (прототипом) является роторный двигатель Ванкеля, в котором трехгранный ротор размещен внутри корпуса, внутренняя цилиндрическая поверхность которого выполнена по эпитрохоиде. Вал ротора жестко соединен с зубчатым колесом, которое входит в зацепление с неподвижной шестерней. Ротор с зубчатым колесом обкатывается вокруг шестерни, контактные уплотнения, расположенные в пазах на вершинах ротора, скользят по поверхности цилиндра, отсекая переменные объемы рабочих камер (Политехнический словарь. Под ред. И.И.Артоболевского. Издательство "Советская энциклопедия". Москва. 1976. Стр.69).

К недостаткам двигателя Ванкеля следует отнести высокое значение удельной массы и низкое значение механического КПД, снижающее эффективность работы двигателя. Удельная масса, определяемая как масса сухого двигателя, приходящаяся на единицу эффективной мощности, в двигателе Ванкеля имеет достаточно высокое значение вследствие наличия зубчатого колеса и шестерни, увеличивающих массу двигателя, а также вследствие невысокой эффективной мощности. Невысокая эффективная мощность обусловлена сложностью обеспечения при высокой частоте вращения ротора удовлетворительной работы контактных уплотнений, расположенных в пазах на вершинах ротора, что ограничивает возможность увеличения эффективной мощности двигателя Ванкеля за счет увеличения частоты вращения ротора двигателя. Кроме этого, невысокая эффективная мощность двигателя Ванкеля с трехгранным ротором обусловлена реализацией термодинамического цикла лишь в трех рабочих камерах за один оборот ротора. Наличие в двигателе Ванкеля зубчатого колеса, находящегося в зацеплении с шестерней, а также наличие контактных уплотнений, расположенных в пазах на вершинах ротора, снижают механический КПД и, соответственно, эффективность работы двигателя.

Задача, решаемая изобретением, состоит в снижении удельной массы и увеличении механического КПД роторного двигателя.

Для достижения этого технического результата в роторном двигателе, содержащем корпус и вращающийся в нем ротор, ротор выполнен в виде тела вращения с герметичным прилеганием его наружной окружной поверхности к внутренней окружной поверхности корпуса, на корпусе равномерно по окружности установлены рабочие камеры, имеющие форму тела вращения, и каждая рабочая камера снабжена одним окном, выполненным по всей длине рабочей камеры и совмещенным с соответствующим окном в корпусе двигателя, в каждой рабочей камере установлена перегородка, разделяющая рабочую камеру на основную и дополнительную части, при этом основная часть рабочей камеры предназначена для осуществления термодинамического цикла двигателя внутреннего сгорания, а дополнительная часть рабочей камеры предназначена для заполнения дополнительным воздухом, не участвующем в процессе сгорания топлива, внутри ротора установлен воздушный канал для подвода воздуха к рабочим камерам, при этом входное окно воздушного канала расположено на радиальной поверхности ротора, а выходное окно воздушного канала расположено на наружной окружной поверхности ротора, внутри ротора установлен выпускной канал для отвода продуктов сгорания из рабочих камер в процессе их продувки и заполнения воздухом, при этом входное окно выпускного канала расположено на наружной окружной поверхности ротора, а выходное окно выпускного канала расположено на радиальной поверхности ротора, выходное окно воздушного канала и входное окно выпускного канала имеют участки одновременного совмещения с окнами рабочих камер для продувки и заполнения рабочих камер воздухом, внутри ротора установлен рабочий канал для выпуска горячего газа и дополнительного воздуха из рабочих камер и преобразования их избыточной энергии в крутящий момент на роторе двигателя, при этом входное окно рабочего канала расположено на наружной окружной поверхности ротора, а выходное окно рабочего канала расположено на радиальной поверхности ротора, в роторе установлены перепускные каналы, каждый из которых имеет впускное и выпускное окна на наружной окружной поверхности ротора и предназначен для соединения между собой при вращении ротора основных частей рабочих камер, в которых процесс сгорания топлива завершился, и основных частей рабочих камер, заполненных воздухом, для осуществления процесса сжатия воздуха, выходные участки перепускных каналов выполнены примыкающими к наружной стенке ротора в преимущественно окружном направлении для тангенциального подвода перепускаемого газового потока в основные части рабочих камер, на внешней окружной поверхности ротора выполнен соединительный канал, предназначенный для соединения в процессе вращения ротора основных частей рабочих камер, после перепуска из них горячего газа, с дополнительными частями рабочих камер, заполненными дополнительным воздухом, для осуществления сжатия дополнительного воздуха.

Снижение удельной массы в заявленном роторном двигателе достигается за счет увеличения эффективной мощности и снижения массы сухого двигателя. Увеличение эффективной мощности достигается за счет увеличения числа рабочих камер, в которых реализуется термодинамический цикл двигателя внутреннего сгорания за один оборот ротора, а также за счет более высокой частоты вращения ротора, которая при использовании бесконтактных уплотнений может иметь ограничения только по эффективности газодинамических процессов: продувки и заполнения рабочих камер воздухом, перепуска горячего газа, выпуска горячего газа из рабочих камер, либо по времени процесса сгорания топлива. Снижение массы сухого двигателя обусловлено отсутствием зубчатого колеса и шестерни. Увеличение механического КПД в заявленном двигателе обеспечивается за счет отсутствия зубчатого колеса и шестерни, находящихся в зацеплении, и за счет использования бесконтактных уплотнений. В заявленном двигателе большинство зазоров между рабочими деталями, которые необходимо уплотнять, образуются достаточно большими цилиндрическими поверхностями, что позволяет их уплотнять достаточно эффективно бесконтактными уплотнениями и тем самым повысить механический КПД двигателя.

На фиг.1 схематично показан в разрезе роторный двигатель; на фиг.2 - сечение А-А фиг.1; на фиг.3 - сечение Б-Б фиг.1; на фиг.4 - часть развернутого на плоскости сечения двигателя по радиусу R.

На фиг.1-4 стрелками показаны направления движения рабочего тела в газовоздушном тракте; - направление вращения ротора, u - направление перемещения ротора.

Роторный двигатель (фиг.1) содержит корпус 1 и вращающийся в нем ротор 2. Наружная окружная поверхность внешней стенки 3 ротора 2 герметично прилегает к внутренней окружной поверхности корпуса 1. Герметичность прилегания указанных поверхностей обеспечивается минимальными зазорами и бесконтактными уплотнениями 4, установленными в корпусе 1. На корпусе 1 равномерно по окружности установлены шестнадцать цилиндрических рабочих камер, последовательно пронумерованных с 5 по 20 (фиг.2, 3). Каждая рабочая камера имеет по одному окну 21, выполненному по всей длине рабочей камеры и совмещенному с соответствующим окном в корпусе 1. Внутри каждой рабочей камеры (фиг.1) установлена перегородка 22, разделяющая рабочую камеру на основную 23 и дополнительную 24 части. Основная часть 23 рабочей камеры предназначена для осуществления термодинамического цикла двигателя внутреннего сгорания, а дополнительная часть 24 рабочей камеры предназначена для заполнения дополнительным воздухом, не участвующем в процессе сгорания топлива. Внутри ротора 2 (фиг.2, 3, 4) размещен воздушный канал 25 для подвода воздуха к рабочим камерам. Входное окно 26 (фиг.4) воздушного канала 25 расположено на радиальной поверхности ротора 2, а выходное окно 27 воздушного канала 25 расположено на наружной окружной поверхности ротора 2. Внутри ротора 2 размещен выпускной канал 28 (фиг.2, 3, 4) для отвода рабочего тела из рабочих камер в процессе их продувки и заполнения воздухом. Входное окно 29 (фиг.4) выпускного канала 28 расположено на наружной окружной поверхности ротора 2, а выходное окно 30 выпускного канала 28 расположено на радиальной поверхности ротора 2. Выходное окно 27 воздушного канала 25 и входное окно 29 выпускного канала 28, расположенные на наружной окружной поверхности ротора 2, имеют участки одновременного совмещения с окнами 21 рабочих камер для осуществления продувки и заполнения рабочих камер воздухом. Выходное окно 27 и входное окно 29 (фиг.4) одновременно совмещены с окнами 21 рабочих камер 5, 6, 7. Внутри ротора 2 установлен рабочий канал 31 (фиг.2, 3) для выпуска горячего газа и дополнительного воздуха из рабочих камер и преобразования их избыточной энергии в крутящий момент на роторе 2. Входное окно 32 рабочего канала 31 расположено на наружной окружной поверхности ротора 2, а выходное окно 33 рабочего канала 31 расположено на радиальной поверхности ротора 2 (фиг.3). Для увеличения крутящего момента на роторе 2 в рабочем канале 31 установлены рабочие лопатки 34, 35, 36. В роторе 2 установлены перепускные каналы 37, 38, 39, 40 (фиг.2), каждый из которых имеет одно впускное и одно выпускное окна на наружной окружной поверхности ротора 2 и предназначен для соединения между собой при вращении ротора 2 основных частей 23 рабочих камер, в которых процесс сгорания топлива завершился, и основных частей 23 рабочих камер, заполненных воздухом, для осуществления процесса сжатия воздуха перепускаемым горячим газом. Входное окно 41 (фиг.2) перепускного канала 37 совмещено с окном рабочей камеры 13, а выходное окно 42 - с окном рабочей камеры 11; входное окно 43 перепускного канала 38 совмещено с окном рабочей камеры 14, а выходное окно 44 - с окном рабочей камеры 10; входное окно 45 перепускного канала 39 совмещено с окном рабочей камеры 15, а выходное окно 46 - с окном рабочей камеры 9; входное окно 47 перепускного канала 40 совмещено с окном рабочей камеры 16, а выходное окно 48 - с окном рабочей камеры 8. Выходные участки перепускных каналов 37, 38, 39, 40 выполнены примыкающими к наружной стенке 3 ротора 2 в преимущественно окружном направлении для тангенциального подвода перепускаемого газового потока в основные части 23 рабочих камер. На внешней окружной поверхности ротора 2 выполнен соединительный канал 49, предназначенный для соединения в процессе вращения ротора 2 основных частей 23 рабочих камер, после перепуска из них горячего газа, с дополнительными частями 24 рабочих камер, заполненными дополнительным воздухом, для осуществления сжатия дополнительного воздуха. Соединительный канал 49 (фиг.2, 3, 4) соединяет между собой основную часть рабочей камеры 18 и дополнительную часть рабочей камеры 17. Вал 50 (фиг.1) ротора 2 установлен на двух опорах 51, 52. Корпус 1 связан с опорой 51 через лопаточный направляющий аппарат 53, направляющий воздушный поток из ресивера 54 в воздушный канал 25 (фиг.4). Воздух поступает в ресивер 54 по трубопроводу 55 из устройства турбонаддува воздуха (на чертежах не показано). Корпус 1 связан с опорой 52 (фиг.1) через сопловой аппарат 56, направляющий поток рабочего тела из роторного двигателя на рабочее колесо активной турбины 57, жестко закрепленное на валу 50 и предназначенное для дополнительного преобразования кинетической энергии потока рабочего тела в крутящий момент на роторе двигателя. Лопатки 58 рабочего колеса активной турбины 57 (фиг.4) установлены в области выходных окон 30 и 33 выпускного канала 28 и рабочего канала 31 соответственно. За рабочим колесом 57 расположен канал 59, соединяющий роторный двигатель с устройством турбонаддува воздуха, в котором неиспользованная в роторном двигателе кинетическая энергия рабочего тела преобразуется в увеличение внутренней энергии и давления подаваемого в роторный двигатель воздуха. В основных частях 23 рабочих камер (фиг.1) установлены устройства 60, содержащие топливные форсунки и свечи зажигания.

Двигатель работает следующим образом. Воздух, предварительно сжатый в устройстве турбонаддува, по трубопроводу 55 (фиг.1) поступает в ресивер 54. При вращении ротора 2 воздух по воздушному каналу 25 (фиг.4) поступает в рабочие камеры при совмещении выходного окна 27 воздушного канала 25 с окнами рабочих камер. Заполнение воздухом и продувка рабочих камер осуществляется одновременно в трех рабочих камерах (рабочие камеры 5, 6, 7). Окна этих рабочих камер частично совмещены с выходным окном 27 воздушного канала 25 и частично с входным окном 29 выпускного канала 28 для обеспечения удаления продуктов сгорания и заполнения рабочих камер воздухом. Заполнение воздухом и продувка одновременно в нескольких камерах позволяет уменьшить пульсации давления и скорости воздушного потока. В процессе продувки и заполнения воздухом в рабочих камерах образуется вращающийся воздушный поток, который заполняет рабочую камеру со стороны входа в двигатель, при заполнении смещаясь в сторону выхода из двигателя и вытесняя горячий газ из основных частей 23 рабочих камер и дополнительный воздух с продуктами сгорания из дополнительных частей 24 рабочих камер в выпускной канал 28. После окончания продувки и заполнения рабочих камер воздухом в основные части 23 рабочих камер 8, 9, 10 и 11 (фиг.2) последовательно осуществляется преимущественно тангенциальный подвод через перепускные каналы 37, 38, 39, 40 горячего газа, полученного в результате сгорания топлива в основных частях 23 рабочих камер 13, 14, 15, 16. В основных частях рабочих камер 8, 9, 10 и 11 последовательно осуществляется сжатие воздуха за счет заполнения части объема этих камер сжатым и нагретым газом. Перепуск газа по четырем перепускным каналам позволяет обеспечить высокую степень сжатия воздуха и эффективность работы заявленного роторного двигателя. Газ, перепускаемый в основные части рабочих камер по перепускным каналам 37, 38, 39, 40, подводится преимущественно тангенциально за счет высокой скорости перепускаемого газового потока, а также за счет примыкания выходных частей перепускных каналов 37, 38, 39, 40 к внешней стенке 3 ротора 2 в направлении, близком к окружному (фиг.2). Вследствие значительно более высокой скорости перепускаемого газового потока в основной части 23 рабочей камеры происходит расслоение газового и воздушного потоков, при этом кольцевой газовый поток вращается вокруг смещенного к оси камеры воздушного потока в противоположном направлении. Противоположное вращение потока горячего газа и потока воздуха в рабочей камере приводит к небольшому снижению скорости газового потока вследствие передачи части момента количества движения от газового потока к воздушному. Движение без значительного торможения перепускаемого газового потока в основных частях 23 рабочих камер позволяет уменьшить потери полного давления, возникающие при торможении газового потока, и повысить эффективность работы двигателя. Горячий газ, имеющий высокую температуру и вращающийся вокруг воздушного потока, способствует быстрому испарению, воспламенению и сгоранию топлива, подаваемого форсунками в осевую область основной части 23 рабочей камеры, занятой воздушным потоком. Сгорание топлива происходит при постоянном объеме камеры, когда окно 21 рабочей камеры (рабочая камера 12 на фиг.2) перекрыто внешней стенкой 3 ротора 2. После сгорания топлива осуществляется последовательно перепуск части продуктов сгорания - горячего газа из основных частей 23 рабочих камер 13, 14, 15, 16 (фиг.2). После перепуска производится выпуск горячего газа через соединительный канал 49 из основной части 23 рабочей камеры в дополнительную часть 24 рабочей камеры. Горячий газ, поступающий в дополнительную часть 24 рабочей камеры, осуществляет сжатие находящегося в ней дополнительного воздуха. На фиг.2, 3, 4 показано соединение каналом 49 основной части 23 рабочей камеры 18 в дополнительной части 24 рабочей камеры 17. В результате перепуска происходит уменьшение давления горячего газа в основной части 23 рабочей камеры и увеличение давления дополнительного воздуха в дополнительной части 24 рабочей камеры перед выпуском горячего газа и дополнительного воздуха в рабочий канал 31, в котором энергия рабочего тела преобразуется в крутящий момент на роторе 2. Необходимость снижения давления горячего газа перед выпуском его в рабочий канал 31 обусловлена небольшими значениями перепада давлений или степени расширения рабочего тела, которые можно фактически реализовать в рабочем канале 31, и большими значениями располагаемого перепада давления горячего газа. Снижение давления горячего газа при его перепуске по каналу 49 позволяет понизить располагаемую степень расширения горячего газа до значения, близкого к фактически реализуемому при расширении горячего газа в рабочем канале 31. За счет этого обеспечивается снижение потерь работы цикла с кинетической энергией истекающего из двигателя горячего газа. Сжатый горячим газом дополнительный воздух также совершает полезную работу и создает крутящий момент на роторе 2 при расширении в рабочем канале 31. Количество дополнительного воздуха определяется из условия обеспечения минимальных потерь с кинетической энергией истекающего из двигателя рабочего тела. Выпуск горячего газа и дополнительного воздуха в рабочий канал 31 (фиг.2, 3) осуществляется из рабочих камер 19, 20. Оставшиеся в рабочих камерах после выпуска в рабочий канал 31 горячий газ и дополнительный воздух удаляются через выпускной канал 28 в процессе продувки и заполнения рабочих камер воздухом (камеры 5, 6, 7 на фиг.2). Далее процесс повторяется. Горячий газ, истекающий из рабочего канала 31, а также часть горячего газа и дополнительный воздух, удаляемые из рабочих камер через выпускной канал 28, поступают в сопловой аппарат 56 и затем в рабочее колесо активной турбины 57, в котором дополнительно кинетическая энергия рабочего тела преобразуется в крутящий момент на валу 50 ротора 2 двигателя. Дополнительно установленная на выходе из роторного двигателя активная турбина позволяет увеличить фактически срабатываемый перепад давления горячего газа при совершении им полезной работы расширения и создания крутящего момента на роторе 2. После рабочего колеса активной турбины 57 рабочее тело направляется по каналу 59 в устройство для турбонаддува воздуха, в котором избыточная кинетическая энергия рабочего тела преобразуется в увеличение давления воздуха, подаваемого в роторный двигатель. За один оборот ротора 2 в каждой рабочей камере осуществляется полный рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания. При запуске двигателя раскрутка ротора 2 осуществляется стартером, а воспламенение топливовоздушной смеси - свечами зажигания, установленными в узле 60 каждой рабочей камеры. Воспламенение топливовоздушной смеси в процессе работы двигателя осуществляется перепускаемым горячим газом. Регулирование частоты вращения ротора 15 может производиться за счет изменения подачи топлива.

Основное преимущество заявленного роторного двигателя по сравнению с прототипом заключается в более низком значении удельной массы, а также в более высоком значении механического КПД, позволяющем улучшить экономичность двигателя. Кроме этого, использование в заявленном роторном двигателе бесконтактных уплотнений позволяет значительно увеличить ресурс его работы.