Eng Ru
Отправить письмо

сферический роторно-волновой двигатель с управляемыми параметрами. Двигатель роторно волновой

$direct1

Нетрадиционные двигатели внутреннего сгорания

НЕФОРМАЛЫ

Многие из нас, наверное, знают, что двигатель внутреннего сгорания, был изобретен достаточно давно, дело это было аж в позапрошлом веке. За время прошедшее с того момента было предложено множество оригинальных конструкторских решений, казалось бы, способных перевернуть все понятия двигателестроения. Переворота все же не произошло, и наш хороший знакомый - кривошипно-шатунный поршневой двигатель не спеша, завоевал весь мир. Однако о неформалах мира двигателей поговорить все-таки стоит.

Роторно-волновой двигатель

Одну из оригинальных конструкций двигателя внутреннего сгорания предложили наши соотечественники. Конструкция эта достаточно не обычна и называется - роторно-волновой двигатель. Давайте сперва разберемся, из каких элементов эта хитрая конструкция состоит и как она работает, а потом поговорим обо всех преимуществах и недостатках.

Конструкция

Основой для двигателя служит корпус(1), достаточно не обычной формы, на внутренних поверхностях которого выполнены специальные винтовые каналы. Внутри корпуса находится полый ротор(2), имеющий на своей поверхности такие же винтовые каналы. Пустотелый ротор и вал отбора мощности(3), соединены между собой с помощью шарнира равных угловых скоростей (ШРУСа)(4). Обратите внимание, что в правой части полого ротора находится механизм, состоящий из блока шестерен(5) и эксцентрика (6). Благодаря нему ротор имеет возможность совершать обкатывание по винтовой поверхности корпуса. Весь же двигатель условно делится на три основные части: компрессорный отсек(А), камера сгорания(Б) и расширительный отсек(В).

Как работает роторно-волновой двигатель?

От конструкции двигателя плавно переходим к рассмотрению рабочего процесса Двухгипотрохоидного РВД, где двухзаходный корпус работает в совокупности с однозаходным ротором, а заключается он в следующем. Как только вал отбора мощности начинает совершать вращательные движения в полости, находящиеся между винтовыми каналами ротора и корпуса, в компрессорном отсеке, начинает засасываться воздух. Так как мы рассматриваем совместную работу двухзаходного корпуса и однозаходного ротора, то за один оборот вала отбора мощности в комперссорный отсек будет попадать две порции воздуха.

После того как воздух был захвачен и отсечен от окружающей среды, он направляется по винтовому каналу в камеру сгорания, испытывая всестороннее сжатие. Туда могут быть добавлены дизельные присадки. Это обусловлено тем, что высота винтовых каналов ротора и корпуса уменьшается, приближаясь к камере сгорания. После того как воздух прошел стадию сжатия он поступает непосредственно в камеру сгоранию, одновременно с этим происходит впрыск топлива.

Для поджигания горючей смеси в камере сгорания предусмотрена свеча, правда, она необходима только для первого воспламенения. Так как в дальнейшем сжигание смеси будет происходить только за счет горячих газов, оставшихся в камере сгорания. После того как произошло превращения топливной смеси в горячий газ, последний направляется в винтовые каналы расширительного отсека, имея в своем арсенале огромное давление и температуру.

Расширительная камера представляет собой полную противоположность компрессорной камере - высота каналов по ходу движения газов у нее только увеличивается. За счет этого и происходит полезная работа, так как, расширяясь, газы, заставляют вращаться ротор. Правда часть полученной мощности теряется при сжатии очередной порции воздуха необходимой для "огненного сердца".

Достоинства роторно-волнового двигателя

Следует сказать о том, что выше мы рассмотрели наиболее упрощенную конструкцию роторно-волнового двигателя. Существуют двигатели такого типа с пятизаходным корпусом и четырехзаходным ротором. Причем такие многозаходные конструкции могут играть роль редукторов, так как при четырех обкатываниях ротора по винтовой поверхности корпуса выходной вал совершит только один полный оборот. То есть сам двигатель позволяет поднять крутящий момент в четыре раза, что согласитесь не так уж и мало.

Еще одно преимущество двигателя скрывается в минимальном количестве пар трения. Фактически трение присутствует только в подшипниках, на которых закреплен вал отбора мощности да в ШРУСе. А как же потери связанные с тем, что ротор обкатывается по корпусу, спросите вы? Эти потери просто отсутствуют, волны ротора "расходятся" на минимально возможном расстоянии с волнами корпуса. К достоинствам следует отнести и малую массу такого типа двигателей. Ведь посмотрев на схему, вы не обнаружите ни газораспределительного механизма, ни тяжелого маховика, ни коленчатого вала. Так как ротор сам по себе является простейшим газораспределительным механизмом, а маховик роторно-волновому двигателю не нужен, потому что в нем просто-напросто отсутствует знакопеременное движение. Благодаря малому количеству деталей и их небольшой массе роторно-волновой двигатель способен развивать обороты в диапазоне от 3000 до 30000 об/мин.

О всеядности этого двигателя поговорить следует отдельно. Ведь в принципе высокооктановое топливо роторно-волновому двигателю необходимо только в момент запуска, как только камера сгорания прогреется, то в нее можно фактически подавать любую горючую жидкость, главное чтобы в процессе горения выделялись горячие газы необходимые для вращения ротора.

Недостаток роторно-волнового двигателя

У этого типа двигателей есть один существенный минус, который в принципе и мешает его мировому распространению - это высокая технологичность, а соответственно и еще большая себестоимость готовой продукции. Так что большое количество плюсов перекрывается одним жирным минусом.

Бесшатунный поршневой двигатель

Идея создания бесшатунного поршневого двигателя родилась в нашей стране достаточно давно. События происходили на рубеже трицатых-сороковых годов в конструкторском бюро, где занимались вопросами разработки и постройки авиационных двигателей. Один из конструкторов этого закрытого предприятия предложил тогда отойти от привычной для нас схемы двигателя внутреннего сгорания, где поршень и коленчатый вал соединены между собой с помощью шатуна. Конструктором этим был С. Баландин, а разработал он новый тип двигателя внутреннего сгорания - бесшатунный ДВС, который позже назвали двигателем Баландина.

Как работает бесшатунный поршневой двигатель?

Для того чтобы понять, как работает это чудо инженерной мысли, сперва взгляните на рисунок. Двигатель состоит из следующих частей: 1,2,3,4 - поршни, 5,6 - подшипники, 7,8 - консольные валы, с опорами для коленчатого вала, 9,10,11,12 - шестерни механизма синхронизации, 13 - коленчатый вал, 14,15 - ползун, 16 - вал отбора мощности.

Теперь давайте посмотрим, как все эти составные части взаимосвязано работают. Итак, представьте, что в камеру сгорания первого цилиндра попадает топливно-воздушная смесь, сначала происходит ее постепенное сжатие, а за тем возгорание. Резко возросшее давление горячих газов заставляет перемещаться поршень 1 и жестко связанный с ним ползун 14 вниз. Зародившееся движения сразу же выводит из состояния покоя коленчатый вал 13, так как все возрастающее давления со стороны ползуна заставляет его вращаться вокруг опор, которые расположены на консольных валах 7 и 8. В свою очередь достаточно сложное планетарное вращения коленчатого вала 13, моментально заставляет совершать вращательные движения и консольные валы 7,8. В результате этих хитросплетений взаимных перемещений, возникает крутящий момент, который через синхронизирующие шестерни 9,10,11,12 передается на вал отбора мощности 16.

Конструкция, рассмотренная нами выше, по теории Баландина должна была иметь высокий механический КПД равный приблизительно 94-м процентам, в то время как обычный, то есть шатунный двигатель внутреннего сгорания мог похвастаться только 85-и процентным КПД. Кроме высокого КПД двигатель должен был обладать следующими ниже преимуществами. Во-первых, это уменьшение нагрузки на поршни, так как в отличие от шатунного двигателя, они во время движения не перекашивются, вследствие чего и отсутствует трение поршня о стенку цилиндра. Во-вторых, есть возможность использования подпоршневого объема для нагнетания воздуха, либо для организации рабочего процесса. В-третьих, существует возможность отказа от маховика, так как поршни и ползуны обладают достаточной массой, а значит и инерционностью.

Казалось бы, сколько много у этого двигателя преимуществ по сравнению с шатунным, но почему же он до сих пор не был запущен в серийное производство? А дело все в следующем. Проблемы с этой конструкцией начались почти сразу же после постройки первых прототипов. Они категорически сопротивлялись работать, "первенцев" заклинивало практически после первых оборотов коленчатого вала. Но после того как эта проблема была решена, дело тогда было в задире поршней, начались новые неприятности - двигатель отказывался нарабатывать положенный моторесурс. На сей раз, виной всему стал чрезвычайно сильный износ направляющих ползунов. Тогда же столкнулись и с трудностью подачи смазки к ползунам и их направляющим.

Множество проблем связанных с доводкой двигателя привели к тому, что большое число конструкторов первоначально подхвативших идею Баландина, отказались от дальнейших работ в этой области. Да плюс ко всему прочему двигатель был очень сложен с технологической точки зрения. Так как в моторе использовалось множество взаимосвязанных элементов, то и допуски на размеры этих деталей должны были быть минимальны, а иначе работоспособность двигателя была бы под большим вопросом. Следует так же сказать, что большинство моторостроительных предприятий в нашей стране не могло похвастаться высокоточным оборудованием необходимым для производства бесшатунных двигателей. Но если даже представить, что производство этих необычных агрегатов и было бы освоено, то цифры их себестоимости удивляли, я думаю, не меньше чем конструкторские решения.

Двигатель Кушуля

В современном мире стало модно быть, экологически чистым. Буквально все твердят об экологической чистоте. Первым делом этот вопрос сказался на автомобильном транспорте, не даром большинство современных автомобилей соответствуют нормам Евро 4. Даже в нашей природа не любивой стране были введены нормы Евро 2. Деньги на совершенствование экологической безопасности автомобилей тратятся огромные, они идут на совершенствование систем впрыска, разработку новейших нейтрализаторов, а так же производство новейших видов топлива. Обо всем выше сказанном знают, наверное, многие, а вот о том, что разработкой экологически чистого двигателя в 60-х годах прошлого столетия занимался профессор Кущуль работающий в Ленинградском институте авиационного приборостроения, знают единицы.

Двигатель, построенный профессором при первом взгляде, напоминал обычный 6-ти цилиндровый V образный двигатель с малым углом развала цилиндров. Но это только при первом взгляде. На самом деле были и кардинальные отличия. Двигатель состоял: из хорошо знакомых нам поршней 1,2, шатунов не стандартной конструкции - 3,4, маховика - 5, блока цилиндров 6. Отличительной особенностью данного двигателя было перепускное окно 7, соединяющее между собой параллельные цилиндры.

Для того чтобы понять все достоинства и недостатки двигателя Кушуля давайте рассмотрим его рабочий процесс. Впуск - поршни, как и на "обычном" двигателе идут вниз, но вся разница в том, что один цилиндр "питается" сильно переобогащенной топливно-воздушной смесью, а второму перепадает только чистый воздух и ни грамма топлива. Сжатие - поршни идут вверх, сжимая находящееся внутри цилиндров "добро". Причем поршни идут с небольшой разницей, первый впереди второго на 20-30 градусов. То есть когда в первом цилиндре происходит зажигание топливно-воздушной смеси, поршень 2 находится в 30-40 градусах от в.м.т. Рабочий ход - поршень 1 начинает движение вниз под действием расширяющихся газов, в то время как поршень 2 еще продолжает свое движение вверх и сжимает находящийся в цилиндре воздух. Через некоторое время поршни выстроятся "в линию", и давление над поршнями 1 и 2 будет иметь примерно одинаковое значение. Но рабочий ход продолжается и поршень 1 движется вниз, давление горячих газов над ним при этом уменьшается, а поршень 2 все еще продолжает двигаться вверх и сжимать находящийся в цилиндре воздух. Из-за большой разницы давлений, воздух, находящийся во втором цилиндре начинает перетекать в первый через перепускное окно с огромной скоростью. Новая порция воздуха позволяет полностью сгореть топливу, попавшему в первый цилиндр. После того как поршень 2 прошел в.м.т. в нем так же начинается рабочий ход. Горячие газы в этот момент времени одновременно воздействуют на два поршня сразу. Выпуск - открываются выпускные клапаны, оба поршня идут вверх, выбрасывая в атмосферу продукты сгорания, все как у обычного двигателя, но с одной оговоркой. Процесс выпуска у двигателя Кушуля не очень то и громогласен, виной всему низкое давление отработанных газов - топливо попало в один цилиндр, а расширение горячих газов произошло в двух. Кстати говоря, здесь прослеживается и еще одно достоинство этого двигателя - достаточно высокий КПД, так как энергия горячих газов максимально возможно использована в недрах мотора, а выброс отработанных газов происходит при относительно низком давлении и температуре.

Главный козырь этого двигателя, ради чего он в принципе и создавался, низкий выброс вредных веществ, благодаря наиболее полному сгоранию топлива. К преимуществам можно так же отнести возможность работы на различных видах топлива и экономичность.

Как всегда не обошлось и без ложки дегтя. Все недостатки "вылезли" в процессе ходовых испытаний построенного Кушулем двигателя, который был имплантирован в "тело" легендарной "Волги". Недостатков было не много, но они были достаточно существенны. Первое - большая масса агрегата, с ней пытались бороться, применяя облегченные детали, но срок их службы бал значительно меньше чем у массивных. Второе - несбалансированная работа двигателя, так как в каждый момент времени работало по два цилиндра, то двигатель был аналогичен трехцилиндровому мотору. Балансионный вал в конструкции этого двигателя предусмотрен не был, хотя сейчас практически все трехцилиндровые двигатели работают в паре с "балансиром".

Как и в других случаях, конструкция этого двигателя не "пошла" по технологическим причинам. Обычный двигатель был намного проще в производстве, чем двигатель Кушуля. А как все тогда хорошо начиналось.

Роторно-поршневой дизель

О роторно-поршневых двигателях Ванкеля я думаю, слышали многие. Свою известность в нашей стране этот тип двигателей получил, благодаря двум автомобильным компаниям - это "ВАЗ" и "Mazda". Хотя двигать первой фирмы является, честно говоря, копией двигателя второй. "Mazda" безусловно пролила много пота и крови доводя конструкцию роторно-поршневого двигателя до совершенства, и ей, следует сказать, это удалось сделать. Хотя если заглянуть в историю, то в роторно-поршневом буме, который был примерно сорок лет назад, поучаствовали, наверное, все компании, которые хоть как-то были связаны с разработкой двигателей. В этот период было сделано очень много интересных роторно-поршневых двигателей. Об одном из них мы с вами и поговорим - это роторно-поршневой дизельный двигатель, сконструированный знаменитой компанией "Роллс-Ройс".

На рисунке показан двухступенчатый роторно-поршневой дизель "Роллс-Ройс". Основой для двигателя служил корпус 8 в котором находилось две рабочие полости. В полости 3 был расположен ротор ступени высокого давления 5, а в полости 1 - ротор ступени низкого давления 7. Кроме того, что роторы имели разный размер, один был меньше другого в три раза, они еще отличались и формой рабочей поверхности - маленький имел специальные выемки, большой же этим похвастаться не мог. Оба ротора синхронно вращались в одном направлении, так как были связанны шестеренчатой передачей. Вал отбора мощности состыковывался с эксцентриковым валом ротора 7. В корпусе имелись две полости - 2,6, которые соединяли между собой ступени высокого и низкого давления, а так же два окна - 9 и 10, соответственно выпускное и впускное. Форсунка 4 находилась в верхней части корпуса и подавала "тяжелое" топливо в ступень высокого давления.

Этот двигатель работал следующим образом. Ротор 7 своей гранью отсекал от окружающей среды порцию воздуха, попавшую в секцию низкого давления через впускное окно 10. Затем воздух перемещался по каналу 2 в секцию высокого давления, испытывая небольшое сжатие, но лишь до того момента пока грань ротора 5 не пересекала перепускной канал. После того как воздух оказался в полости между ротором 5 и корпусом 8 он испытывал сильное всестороннее сжатия и постепенно переносился в рабочую зону форсунки 4. После впрыска топлива в предварительно сжатый воздух, происходило сгорание. Образовавшиеся газы расширялись лишь в секции высокого давления, но только до тех пор, пока грань ротора 5 не открыла доступ к перепускному каналу 6. После этого расширение уже происходило в двух секциях, до того момента пока грань ротора 7 не открывала выпускное окно 9.

Многие из вас наверняка зададутся вопросом: " А для чего необходимо было делать двигатель двухсекционным ?" Двухсекционность в первую очередь была необходима, для того чтобы организовать дизельный цикл в роторно-поршневом двигателе. Во-вторых, было в два раза уменьшено давление приходящиеся на эксцентриковые валы роторов, соответственно это дало увеличение ресурса двигателя.

При конструировании этого необычного двигателя компанией "Роллс-Ройс" было решено громадное количество технических задач. Большие проблемы были связаны с подбором идеальной формы выемок выполненных в рабочей поверхности ротора ступени высокого давления. Много времени заняли вопросы, связанные с подшипниками ротора и радиальными уплотнениями. Так как в дизельном двигатели нагрузки на эти элементы намного больше, чем, в двигателе, работающем на бензине.

После того как двигатель окончательно был доведен до ума, фирме "Роллс-Ройс" пришлось сделать трудное для себя решение. А именно - закрыть этот проект. Так как двигатель хоть и радовал своими положительными чертами, сюда можно отнести все плюсы дизельных двигателей и прибавить компактность Р.П.Д. но был достаточно сложен в производстве, имел высокую себестоимость и что самое важное малый ресурс.

Двигатели

note2auto.ru

Роторный двигатель на ударной волне

Схема роторного двигателя на ударной волнеАвторы: Владимир Егоров, Андрей ДалимаевИсточник: icarbio.ruКоличество просмотров 6377 Количество комментариев 0

Вы поворачиваете ключ зажигания — и тут двигатель Вашего автомобиля разрывает ударная волна. Быть может, это звучит катастрофой, но двигатель на ударной волне, которая сжимает смесь горячего воздуха и топлива, может сделать гибридные автомобили гораздо более эффективными. Так говорит Норберт Мюллер (Norbert Müller) в Университете Штата Мичиган в Ист-Лансинге. Он разработал опытный образец такого двигателя, который недавно был представлен на встрече, организованной Управлением перспективных исследований Министерства энергетики США.

Схема роторного двигателя на ударной волне
Схема роторного двигателя на ударной волне
  1. Воздух и топливо подаются в межлопастные промежутки сквозь ступицу ротора.
  2. В результате столкновения топливовоздушной смеси со стенкой корпуса образуется ударная волна.
  3. Сжатая смесь воспламеняется.
  4. Газовая смесь покидает межлопастные промежутки, вращая ротор.

В его основе лежит ротор, содержащий ряд лучеобразных лопастей (см. схему). Схематично это можно представить в виде лежащего горизонтально настольного вентилятора, крыльчатка которого (ротор) имеет большое число изогнутых лопастей и окружена кожухом. В то время как вращается ротор, топливовоздушная смесь, поступает в межлопастные промежутки через впускные отверстия, расположенные в ступице, но за время впуска ротор успевает повернуться в положение, при котором межлопастные промежутки замкнуты стенкой корпуса. В результате столкновения топливовоздушной смеси со стенкой корпуса образуется ударная волна, которая, распространяясь в ограниченном пространстве, сжимает рабочую смесь. Сжатая смесь воспламеняется. За время горения межлопастные промежутки ротора вновь поворачиваются на выпускные каналы, — газовая смесь на высокой скорости покидает межлопастные промежутки и давит на лопасти ротора, вызывая его вращение. Вращение ротора передаётся выходному валу.

Данная конструкция устранит многие из компонентов обычного двигателя, включая поршни, распределительный вал и клапаны. Это сделает её гораздо более компактной и легкой в сравнении с обычным двигателем. “Автомобиль, оснащённый новым мотором, может стать в целом на 20 % легче”, — утверждает Норберт Мюллер. Он говорит, что, устраняя потери, связанные с механическими компонентами, она также сделает автомобили более экономичными. Мюллер сообщает, что двигатель может быть адаптирован для работы на различных видах топлива, в том числе водородном. Собрав небольшой опытный образец, он надеется, что 25-киловаттная версия будет готова к концу этого года.

Руй Чен (Rui Chen), который изучает системы сгорания в университете Лафборо в Великобритании заявляет, что эта конструкция может существенно уменьшить вес трансмиссии автомобиля. “В топливном отношении этот двигатель гораздо податливее, чем обычный поршневой”, — добавляет он. Норберт Мюллер соглашается с Ченом. По словам Мюллера поршни, шатуны и блок цилиндров двигателю с волновым диском не нужны. Кроме того, меньшая масса и более высокая топливная экономичность двигателя «могут позволить гибридному автомобилю с подзарядкой от сети и рекуперативным торможением пробегать впятеро большее расстояние на литре бензина.

Что же, все это звучит весьма красочно. Однако не будем забывать, что машины такого типа инженеры начали изучать еще в 1906 г., но трудно понять, как управлять этими нестационарными газовыми потоками. Даже Норберт Мюллер признает, что предсказание очень сложного нелинейного поведения таких потоков требует детальных численных расчетов, которые слишком трудоёмки или неточны.

Другой учёный — Дэниел Паксон (Daniel E. Paxson), занимающийся моделированием течений в Научно-исследовательском центре им. Гленна NASA в Кливленде, скептически замечает, что Мичиганский проект, несомненно, расширяет горизонты. “Каковы бы ни были конечные результаты, я не сомневаюсь, что они узнают много нового”. С последним замечанием трудно не согласиться. Тем не менее, исследования ведутся и для создания двигателей применяются компьютерные модели. А значит, основания для оптимизма есть.

Опубликовано 02.11.2011

Читайте также

Комментарии

icarbio.ru

СФЕРИЧЕСКИЙ РОТОРНО-ВОЛНОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ С УПРАВЛЯЕМЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, и может быть использовано в автомобильном, газопроводном и нефтепроводном транспорте.

Известны роторно-волновые двигатели внутреннего сгорания, например роторно-волновой двигатель (патент России № 2155272) - объемная прямоточная машина, в которой установленный с минимальным зазором ротор совершает угловые колебания, образуя волны, перекатывающиеся по поверхности корпуса в компрессорном и расширительном отсеках. Однако потребность минимальных зазоров ограничивают его применение.

Наиболее близким аналогом является роторно-волновой двигатель внутреннего сгорания (патент России № 2304225), содержащий секции со спиралеобразными полостями и размещенными в них качающимися спиральными лопатками. Однако отсутствие возможности управления параметрами снижает его энергоэффективность.

Целью изобретения является повышение энергоэффективности.

Сущность изобретения достигается тем, что двигатель, содержащий компрессорный и расширительный отсеки, каждый из которых оснащен качающимся в корпусе ротором, установленным шарнирно на пальце кривошипа, закрепленном на вращающемся в опорах корпуса валу, который в расширительном отсеке соединен с потребителем механической энергии, полостью, выполненной в корпусе, лопаткой, качающейся в ней, размещенной на роторе, отсекающей точками контакта своих поверхностей с поверхностями полости смещающиеся вдоль нее волнообразные объемы газа, топливную систему с встроенными в камеру сгорания форсунками и свечу зажигания. Поверхности, ограничивающие полость, а также лопатку, выполнены в радиальном направлении сферическими, а в осевом направлении коническими, кривошип на валу установлен под углом, а с точкой пересечения осей кривошипа и вала совпадают центры сферических и вершины конических поверхностей, вал компрессорного отсека соединен с валом привода, снабженного регулятором частоты вращения, топливная система снабжена регулятором подачи топлива в камеру сгорания.

По второму варианту в двигателе установлена секция потребителя механической энергии, например нагнетателя газа, оснащенная выполненной в корпусе полостью, заполненной нагнетаемым материалом, и лопаткой, качающейся в ней, размещенной на роторе расширительного отсека, отсекающей точками контакта сферических и винтовых конических поверхностей волнообразные объемы материала, смещающиеся в полости от окна, связывающего полость с магистралью низкого давления, к окну, связывающему полость с магистралью высокого давления.

На фиг.1 представлен двигатель в разрезе, на фиг.2 - двигатель в разрезе по второму варианту, на фиг.3 - коническое зубчатое зацепление, на фиг.4 - схема формирования конической поверхности, на фиг.5 - коническая поверхность, на фиг.6 - схема контактирования двух конических поверхностей.

Двигатель включает в себя компрессорный и расширительный отсеки. В компрессорном отсеке в корпусе 1 выполнена винтовая полость 2. На роторе 3 закреплена винтовая лопатка 4, качающаяся в полости 2 посредством кривошипа 5. В расширительном отсеке в корпусе 1 выполнена винтовая полость 6. На роторе 7 закреплена винтовая лопатка 8, качающаяся в полости 6 посредством кривошипа 9. Роторы 3 и 7 размещены шарнирно на кривошипах 5 и 9, установленных под углом на вращающихся в опорах корпуса валах. С помощью конических зубчатых зацеплений с одинаковым числом зубьев колес роторы 3 и 7, а также лопатки 4 и 8 качаются в корпусе относительно точек Ок и Ор пересечения кривошипов 5 и 9 с их валами. Полости 2 и 6, а также лопатки 4 и 8 ограничены в радиальном направлении сферическими поверхностями М, а в осевом направлении коническими поверхностями G. Вершины конических поверхностей и центры сферических поверхностей совпадают с соответствующими точками пересечения осей Ок и Ор. Полости 2 и 6 соединены с камерой сгорания 10, оснащенной топливными форсунками и свечой зажигания. Топливная система оснащена регулятором 11 подачи топлива в камеру сгорания. Полость 2 снабжена впускным окном 12, а полость 6 снабжена выпускным окном 13. Двигатель снабжен приводом 14 с регулятором частоты вращения, вал которого соединен с валом компрессорного отсека. Сопряженные сферические М и конические G поверхности полостей 2 и 6 и лопаток 4 и 8 замыкают волнообразные объемы воздуха в компрессорном отсеке и волнообразные объемы газа в расширительном отсеке, которые сдвигаются по винтовым полостям. Конические поверхности, ограничивающие замкнутые объемы, являются активными, передающими распределенное давление газов на вал расширительного отсека потребителю механической энергии. С целью продолженного горения в расширительном отсеке может быть установлено в корпусе несколько секций с подобными полостями, соединенными промежуточными каналами, и качающимися в них лопатками, объединенными общим ротором.

Начальные условия получения конической поверхности. Шар с центром в точке О установлен в системе XYZ. Режущая кромка резца размещена в локальной системе координат xyz, начало координат которой совпадает с центром шара О, а режущая кромка совпадает с осью Oz. Плоскость xOz равномерно вращается со скоростью ω относительно оси Ох (Оx1, Оx2, Ох3...) и с ускорением е вращается относительно оси Oz (Ozl, Oz2, Oz3...). Режущая кромка, оставаясь привязанной своим концом к центру О, формирует на шаре коническую поверхность G с вершиной в точке О и очерчивает на сферической поверхности М направляющую линию (1-2-3). По таким же условиям выполняется коническая поверхность на роторе. Направляющая линия (1е-2е-3е) на роторе эквидистантна линии, с точками (1-2-3) на корпусе. Построенные на основе таких винтовых направляющих конусы касаются по их общей образующей и контактируют без зазора и проскальзывания.

По второму варианту в двигателе установлена секция потребителя механической энергии, например нагнетателя газа или жидкости, которая связана с секцией расширительного отсека. В корпусе 1 выполнена винтовая полость 15, ограниченная в радиальном направлении сферическими поверхностями М, а в осевом направлении коническими поверхностями G. В полости 15 выполнена винтовая лопатка 16, ограниченная в радиальном направлении сферическими поверхностями М, а в осевом направлении коническими поверхностями G. Вершины конических поверхностей и центры сферических поверхностей совпадают с точкой пересечения осей вращающегося в опорах корпуса вала, и кривошипа 9, установленного на нем под углом. Лопатка 16 потребителя мощности жестко связана с ротором 7 расширительного отсека посредством поводка 17. Сопряженные конические и сферические поверхности полости 15 и лопатки 16 замыкают волнообразные объемы нагнетаемого продукта, например газообразного или жидкого, и сдвигают их по полости 15 от окна 18 магистрали низкого давления к окну 19 магистрали высокого давления.

Работает двигатель следующим образом. Включается привод 14. Связанный с ним вал компрессорного отсека вращается в опорах корпуса 1 с установленной регулятором скоростью. Ротор 3 с помощью зубчатого зацепления качается на кривошипе 5 вала относительно центра Ок. Размещенная на роторе лопатка 4 качается в полости 2. В полости 2 лопаткой 4 отсекаются волнообразные объемы воздуха, которые при колебании лопатки сдвигаются от окна 12 в сторону камеры сгорания 10. Несколько оборотов вала приводит к наполнению камеры сгорания воздухом и созданию в ней достаточного давления. В камеру сгорания через форсунки подается поток топлива, скорость которого и количество устанавливается регулятором подачи 11. Путем изменения частоты вращения привода 14 и скорости подачи количества топлива регулятором 11 добиваются обеднения или обогащения смеси. Полученная смесь топлива и воздуха поджигается свечой зажигания. Газы от сгорающей смеси создают на активных поверхностях полости 6 и лопатки 8 суммарную составляющую силы и подобно турбине на валу 9 крутящий момент. Давление газов, при сгорании смеси, в камере сгорания возрастает, возрастает и степень сжатия вновь поступающей смеси. Высокое давление газов и высокие температуры горения создают условия для воспламенения вновь поступающих порций смеси. Горение смеси становится устойчивым и прекращается с прекращением подачи топлива. Свеча зажигания необходима для начального воспламенения. Ввиду небольших размеров полости 2 компрессорного отсека противодействие расширяющихся газов поступлению воздуха незначительно.

По второму варианту двигатель позволяет передать потребителю потенциальную энергию давления сгорающего топлива без промежуточных механических устройств. Так же, как в первом варианте работают компрессорный и расширительный отсеки и создается давление в полости 6 расширительного отсека. Нагнетаемый материал в виде волновых объемов заключен между коническими G и сферическими М стенками полостей 15 и лопаток 16. Давление газов через активные конические поверхности жестко соединенных с помощью поводка 17 лопаток 8 и 16 направлено на материал, размещенный в волновых объемах полости 15 потребителя энергии. По сути, давление газов без промежуточных механических передач создает давление на материал, заполняющий полость 15, и направлено на нагнетание материала из магистрали низкого давления и окна 18 в магистраль высокого давления через окно 19. Все остальные узлы и механизмы, при такой передаче потенциальной энергии давления, не подвержены большим нагрузкам и несут в себе потери мощности для собственных нужд управления. Возможно одновременное использование двух путей передачи энергии: по первому и второму вариантам.

В изобретении устранены зазоры между контактирующими активными поверхностями. Площадь активных поверхностей значительно превосходит площадь пассивных поверхностей, тем самым создаются условия для повышения энергоэффективности. Устранено проскальзывание активных винтовых конических поверхностей. Возможно управление начальными параметрами рабочего тела, такими как степенью сжатия, обеднением или обогащением, скоростью формирования топливной смеси. Сгорание смеси происходит при высоком начальном давлении. Путем изменения входных параметров появилась возможность управления выходными параметрами - скоростью, мощностью. Возможно выполнение условия продолженного горения. Предложена передача потенциальной энергии давления газов на материал потребителя, без промежуточных механических преобразователей, например при нагнетании или перекачке жидкости или газа.

СФЕРИЧЕСКИЙ РОТОРНО-ВОЛНОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ С УПРАВЛЯЕМЫМИ ПАРАМЕТРАМИСФЕРИЧЕСКИЙ РОТОРНО-ВОЛНОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ С УПРАВЛЯЕМЫМИ ПАРАМЕТРАМИСФЕРИЧЕСКИЙ РОТОРНО-ВОЛНОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ С УПРАВЛЯЕМЫМИ ПАРАМЕТРАМИСФЕРИЧЕСКИЙ РОТОРНО-ВОЛНОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ С УПРАВЛЯЕМЫМИ ПАРАМЕТРАМИСФЕРИЧЕСКИЙ РОТОРНО-ВОЛНОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ С УПРАВЛЯЕМЫМИ ПАРАМЕТРАМИСФЕРИЧЕСКИЙ РОТОРНО-ВОЛНОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ С УПРАВЛЯЕМЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

edrid.ru

Роторно-волновой двигатель

Изобретение относится к двигателестроению. Двигатель содержит корпус и ротор. Ротор качается на кривошипе вала. Вал вращается в опорах корпуса с помощью устройства ограничения вращения. Двигатель снабжен секциями, составленными из полостей. Полости имеют отсекаемые объемы, смещающиеся по спирали, в виде камер нагнетания и камер сгорания в компрессорном и расширительном отсеках. В корпусе выполнены впускное и выпускное окна, установлены топливные форсунки и свечи зажигания. Ось кривошипа пересекает ось вала. Точка пересечения осей является центром механизма. Полости ограничены поверхностями, вершины которых совпадают с центром механизма, и поверхностями, полученными путем качания спиралей относительно центра механизма. Образующая спираль перемещается по направляющим окружностям различного радиуса. Поверхности, вершины которых совпадают с центром механизма, контактируют без зазора по прямым линиям и перекатываются друг по другу. Полости снабжены сужающимся в поперечном сечении горлом, разделяющим компрессорный и расширительный отсеки. Секции установлены симметрично плоскости, перпендикулярной оси корпуса, со смещением на 180 градусов. Изобретение направлено на повышение энергоэффективности. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, а также может быть использовано в компрессоростроении и насосостроении.

Известны роторно-волновые двигатели внутреннего сгорания, например роторно-волновой двигатель (патент России №2155272) - объемная прямоточная машина, в которой установленный с минимальным зазором ротор совершает угловые колебания, образуя волны, перекатывающиеся по поверхности корпуса в компрессорном и расширительном отсеках. Однако сложность конструкции и большие осевые размеры ограничивают его применение.

Наиболее близким аналогом является роторно-волновой двигатель внутреннего сгорания (патент России №2304225), содержащий секции со спиральными полостями и размещенными в них подобными качающимися лопатками. Однако объемы полости, заключенные между точками контакта проскальзывающих поверхностей полостей и лопаток, имеют зазор, обусловленный условиями проскальзывания, что определяет утечки газа и снижает энергоэффективность.

Целью изобретения является повышение энергоэффективности.

Согласно изобретению двигатель, содержит ротор, качающийся на кривошипе вала, вращающегося в опорах корпуса с помощью устройства ограничения вращения, снабжен секциями, составленными из полостей, выполненных в корпусе, и качающихся в них лопаток, установленных на роторе, полости, а также лопатки ограничены в осевом и радиальном направлениях поверхностями, которые в радиальном направлении выполнены кривыми с направляющими спиральными линиями, центры которых в полостях размещаются на оси вала, а на лопатках размещаются на оси кривошипа, включает компрессорный и расширительный отсеки, камеру сгорания с топливными форсунками и свечой зажигания, впускное и выпускное окна. Кривошип на валу установлен под углом, а с точкой пересечения осей вала и кривошипа совпадают центры спиральных направляющих линий циклических кривых поверхностей, которые выполнены путем движения окружности переменного радиуса по спиральной направляющей, спиральные направляющие полостей размещены в плоскости, перпендикулярной к оси вала, а в лопатках в плоскости, перпендикулярной к оси кривошипа, поверхности, ограничивающие полости и лопатки в осевом направлении, выполнены коническими, их вершины совпадают с точкой пересечения осей вала и кривошипа, оси конических поверхностей, ограничивающих полости, совпадают с осью вала, а оси конических поверхностей, ограничивающих лопатки, совпадают с осью кривошипа.

Согласно другому варианту в двигателе секции, составленные из полостей и лопаток, установлены симметрично центральной плоскости, проходящей через точку пересечения осей вала и его кривошипа, и повернуты относительно друг друга на 180 градусов, причем центральная плоскость для полостей перпендикулярна оси вала, а для лопаток перпендикулярна оси кривошипа.

Таким образом, двигатель, содержащий корпус и ротор, качающийся на кривошипе вала, вращающегося в опорах корпуса с помощью устройства ограничения вращения, снабженный секциями, составленными из полостей, имеющих отсекаемые объемы, смещающиеся по спирали, в виде камер нагнетания и камер сгорания в компрессорном и расширительном отсеках, в корпусе выполнены впускное и выпускное окна, установлены топливные форсунки и свечи зажигания, отличается тем, что ось кривошипа пересекает ось вала, точка пересечения осей является центром механизма, полости ограничены поверхностями, вершины которых совпадают с центром механизма, и поверхностями, полученными путем качания спиралей относительно центра механизма, при этом образующая спираль перемещается по направляющим окружностям различного радиуса, поверхности, вершины которых совпадают с центром механизма, контактируют без зазора по прямым линиям и перекатываются друг по другу, полости снабжены сужающимся в поперечном сечении горлом, разделяющим компрессорный и расширительный отсеки.

Секции установлены симметрично плоскости, перпендикулярной оси корпуса, со смещением на 180 градусов.

Изобретение поясняется чертежами, где: на фиг.1 представлено сечение двигателя; на фиг.2 - схема размещения спиральных поверхностей на фиг.1; на фиг.3 - схема прохождения волн в полости; на фиг.4 - сечение корпуса; на фиг.5 - сечение ротора; на фиг.6 - схема образования циклической поверхности; на фиг.7 - схема секции; на фиг.8 - секция в разрезе на фиг.7.

Двигатель содержит корпус 1 и ротор 2. Ротор 2 качается на кривошипе 3 вала 4, вращающегося в опорных узлах корпуса. Кривошип 3 установлен на валу 4 под углом, а точка пересечения их осей является центром качания. Качание ротора 2 поддерживается устройством ограничения вращениям, например коническим зубчатым зацеплением с одинаковыми параметрами зубчатых колес, с вершинами, совпадающими с точкой пересечения осей кривошипа 3 и вала 4. В корпусе 1 и в роторе 2 выполнены секции, составленные из полостей 6 и размещенных в них лопаток 7. Полости 6 и лопатки 7 ограничены коническими поверхностями 8 и циклическими спиральными поверхностями 9. Циклические поверхности получены путем движения образующей окружности переменного радиуса по направляющей спиральной линии. Практически такая поверхность может быть получена на многокоординатном станке. Для этого в системе координат XYZ размещается локальная система координат xyz, в которой вращается вал, подобный валу 4, с кривошипом, подобным кривошипу 3, установленным под углом. Ось вала совпадает с осью x системы xyz. Точка пересечения осей вала и кривошипа совпадает с точкой начала координат системы xyz. Точка на конце кривошипа совпадает с точкой режущей кромки инструмента и при вращении вала описывает окружность, которая является образующей циклической поверхности. Радиус образующей окружности изменяется в зависимости от положения точки режущей кромки на кривошипе. Расстояние l (l1, l2, l3 …) от точки пересечения осей вала и кривошипа до точки режущей кромки изменяется и соответствует текущему радиусу спиральной линии, которая является направляющей циклической поверхности. Система xyz вращается относительно оси у вместе с размещенными в ней вращающимся валом и резцом. Ось х занимает положения x1, х2, х3 …. Вращение вала во вращающейся системе координат xyz и одновременный сдвиг режущей кромки по оси кривошипа позволяют получить необходимую циклическую поверхность. Вершины конических поверхностей 8 и центры спиральных направляющих циклических поверхностей 9 совпадают с точкой пересечения осей кривошипа 3 и вала 4. Конические поверхности 8 полостей 6 и лопаток 7 контактируют без зазора по образующим прямым линиям и перекатываются друг по другу. Циклические поверхности 9 полостей 6 и лопаток 7 проскальзывают по образующим окружностям. В полостях 6 и лопатках 7 выполнено горло, сужающееся в поперечном сечении, путем сближения циклических поверхностей 9. Горло разделяет компрессорный и расширительный отсеки. В нем размещена камера сгорания с форсунками и свечой зажигания. Поверхности 8 и 9 отсекают объемы полостей 6, которые в виде волн смещаются по спирали в компрессорном и расширительном отсеках. Волновые объемы в горле имеют минимальную величину и увеличиваются к периферийным концам полости 6, где они открываются и сливаются с атмосферой окружающей среды. Активными поверхностями, передающими давление сгорающих газов на вал, являются конические поверхности полостей и лопаток. Их площади к выпускному окну возрастают.

По второму варианту, с целью уравновешивания сил и удвоения момента сил на валу 4, секции установлены симметрично центральной плоскости, проходящей через точку пересечения осей кривошипа 3 и вала 4, и повернуты относительно друг друга на 180 градусов. Центральная плоскость симметрии полостей 6 перпендикулярна оси вала 4, а лопаток 7 перпендикулярна оси кривошипа 3.

Работает двигатель следующим образом. В опорах корпуса 1 вращается вал 4. На его кривошипе 3 качается ротор 2 с помощью устройства ограничения вращения 5. Лопатки 7 качаются в полостях 6. Конические поверхности 8 и циклические спиральные поверхности 9 точками контакта отсекают замкнутые волновые объемы в полости 6. Волны смещаются по спиральной полости 6 в направлении вращения вала 4 и меняют объем. Первоначально в компрессорном отсеке через впускное окно полость 6 имеет связь с окружающей средой. Во время смещения точек контакта взаимодействующих поверхностей полостей 6 и лопаток 7, сдвигающихся от впускного окна к камере сгорания, создается разрежение, а пространство, заключенное между точками контакта сопряженных поверхностей, заполняется воздухом. Волнообразные объемы в сужающемся горле уменьшаются, и происходит сжатие находящегося в них воздуха. В области горла в камеру сгорания впрыскивается топливо, которое поджигается свечой или, при достаточном давлении, самовоспламеняется. В расширительном отсеке волнообразные объемы увеличиваются по мере приближения к выпускному окну, газ расширяется и выходит в атмосферу. Энергия сгорающего топлива посредством активных конических поверхностей полостей и лопаток преобразуется в механическую энергию, создавая момент силы на валу 4.

Второй вариант исполнения, при котором секции установлены парами, симметрично центральной плоскости, со смещением по фазе на 180 градусов, позволяет получить подобный встречный поток, уравновешивающий осевые силы, действующие на ротор 2, и удваивающий момент сил на валу 4.

Эффективность двигателя определяется тем, что между контактирующими по образующим линиям перекатывающимися коническими поверхностями и проскальзывающими по образующим окружностям циклическими поверхностями полостей и лопаток отсутствует зазор. Площади активных конических поверхностей с приближением по спирали к выпускному окну увеличиваются. Текущий радиус спирали, на котором действует суммарная сила давления газов, увеличивается. Такие решения предотвращают утечки газа и повышают момент силы на валу.

1. Двигатель, содержащий корпус и ротор, качающийся на кривошипе вала, вращающегося в опорах корпуса с помощью устройства ограничения вращения, снабженный секциями, составленными из полостей, имеющих отсекаемые объемы, смещающиеся по спирали, в виде камер нагнетания и камер сгорания в компрессорном и расширительном отсеках, в корпусе выполнены впускное и выпускное окна, установлены топливные форсунки и свечи зажигания, отличающийся тем, что ось кривошипа пересекает ось вала, точка пересечения осей является центром механизма, полости ограничены поверхностями, вершины которых совпадают с центром механизма, и поверхностями, полученными путем качания спиралей относительно центра механизма, при этом образующая спираль перемещается по направляющим окружностям различного радиуса, поверхности, вершины которых совпадают с центром механизма, контактируют без зазора по прямым линиям и перекатываются друг по другу, полости снабжены сужающимся в поперечном сечении горлом, разделяющим компрессорный и расширительный отсеки.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что секции установлены симметрично плоскости, перпендикулярной оси корпуса, со смещением на 180°.

www.findpatent.ru

Сферический роторно-волновой двигатель с управляемыми параметрами

Изобретение относится к двигателестроению. Двигатель содержит компрессорный и расширительный отсеки, топливную систему с встроенными в камеру сгорания форсунками и свечу зажигания. Каждый из отсеков оснащен качающимся в корпусе ротором, полостью, выполненной в корпусе, и лопаткой, качающейся в ней. Ротор установлен шарнирно на пальце кривошипа, закрепленном на вращающемся в опорах корпуса валу. Вал в расширительном отсеке соединен с потребителем механической энергии. Лопатка размещена на роторе и отсекает точками контакта своих поверхностей с поверхностями полости смещающиеся вдоль нее волнообразные объемы газа. Поверхности, ограничивающие полость, а также лопатку, выполнены в радиальном направлении сферическими, а в осевом направлении коническими. Кривошип на валу установлен под углом. С точкой пересечения осей кривошипа и вала совпадают центры сферических и вершины конических поверхностей. Вал компрессорного отсека соединен с валом привода, снабженного регулятором частоты вращения. Топливная система снабжена регулятором подачи топлива в камеру сгорания. Изобретение направлено на повышение энергоэффективности. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, и может быть использовано в автомобильном, газопроводном и нефтепроводном транспорте.

Известны роторно-волновые двигатели внутреннего сгорания, например роторно-волновой двигатель (патент России № 2155272) - объемная прямоточная машина, в которой установленный с минимальным зазором ротор совершает угловые колебания, образуя волны, перекатывающиеся по поверхности корпуса в компрессорном и расширительном отсеках. Однако потребность минимальных зазоров ограничивают его применение.

Наиболее близким аналогом является роторно-волновой двигатель внутреннего сгорания (патент России № 2304225), содержащий секции со спиралеобразными полостями и размещенными в них качающимися спиральными лопатками. Однако отсутствие возможности управления параметрами снижает его энергоэффективность.

Целью изобретения является повышение энергоэффективности.

Сущность изобретения достигается тем, что двигатель, содержащий компрессорный и расширительный отсеки, каждый из которых оснащен качающимся в корпусе ротором, установленным шарнирно на пальце кривошипа, закрепленном на вращающемся в опорах корпуса валу, который в расширительном отсеке соединен с потребителем механической энергии, полостью, выполненной в корпусе, лопаткой, качающейся в ней, размещенной на роторе, отсекающей точками контакта своих поверхностей с поверхностями полости смещающиеся вдоль нее волнообразные объемы газа, топливную систему с встроенными в камеру сгорания форсунками и свечу зажигания. Поверхности, ограничивающие полость, а также лопатку, выполнены в радиальном направлении сферическими, а в осевом направлении коническими, кривошип на валу установлен под углом, а с точкой пересечения осей кривошипа и вала совпадают центры сферических и вершины конических поверхностей, вал компрессорного отсека соединен с валом привода, снабженного регулятором частоты вращения, топливная система снабжена регулятором подачи топлива в камеру сгорания.

По второму варианту в двигателе установлена секция потребителя механической энергии, например нагнетателя газа, оснащенная выполненной в корпусе полостью, заполненной нагнетаемым материалом, и лопаткой, качающейся в ней, размещенной на роторе расширительного отсека, отсекающей точками контакта сферических и винтовых конических поверхностей волнообразные объемы материала, смещающиеся в полости от окна, связывающего полость с магистралью низкого давления, к окну, связывающему полость с магистралью высокого давления.

На фиг.1 представлен двигатель в разрезе, на фиг.2 - двигатель в разрезе по второму варианту, на фиг.3 - коническое зубчатое зацепление, на фиг.4 - схема формирования конической поверхности, на фиг.5 - коническая поверхность, на фиг.6 - схема контактирования двух конических поверхностей.

Двигатель включает в себя компрессорный и расширительный отсеки. В компрессорном отсеке в корпусе 1 выполнена винтовая полость 2. На роторе 3 закреплена винтовая лопатка 4, качающаяся в полости 2 посредством кривошипа 5. В расширительном отсеке в корпусе 1 выполнена винтовая полость 6. На роторе 7 закреплена винтовая лопатка 8, качающаяся в полости 6 посредством кривошипа 9. Роторы 3 и 7 размещены шарнирно на кривошипах 5 и 9, установленных под углом на вращающихся в опорах корпуса валах. С помощью конических зубчатых зацеплений с одинаковым числом зубьев колес роторы 3 и 7, а также лопатки 4 и 8 качаются в корпусе относительно точек Ок и Ор пересечения кривошипов 5 и 9 с их валами. Полости 2 и 6, а также лопатки 4 и 8 ограничены в радиальном направлении сферическими поверхностями М, а в осевом направлении коническими поверхностями G. Вершины конических поверхностей и центры сферических поверхностей совпадают с соответствующими точками пересечения осей Ок и Ор. Полости 2 и 6 соединены с камерой сгорания 10, оснащенной топливными форсунками и свечой зажигания. Топливная система оснащена регулятором 11 подачи топлива в камеру сгорания. Полость 2 снабжена впускным окном 12, а полость 6 снабжена выпускным окном 13. Двигатель снабжен приводом 14 с регулятором частоты вращения, вал которого соединен с валом компрессорного отсека. Сопряженные сферические М и конические G поверхности полостей 2 и 6 и лопаток 4 и 8 замыкают волнообразные объемы воздуха в компрессорном отсеке и волнообразные объемы газа в расширительном отсеке, которые сдвигаются по винтовым полостям. Конические поверхности, ограничивающие замкнутые объемы, являются активными, передающими распределенное давление газов на вал расширительного отсека потребителю механической энергии. С целью продолженного горения в расширительном отсеке может быть установлено в корпусе несколько секций с подобными полостями, соединенными промежуточными каналами, и качающимися в них лопатками, объединенными общим ротором.

Начальные условия получения конической поверхности. Шар с центром в точке О установлен в системе XYZ. Режущая кромка резца размещена в локальной системе координат xyz, начало координат которой совпадает с центром шара О, а режущая кромка совпадает с осью Oz. Плоскость xOz равномерно вращается со скоростью ω относительно оси Ох (Оx1, Оx2, Ох3...) и с ускорением е вращается относительно оси Oz (Ozl, Oz2, Oz3...). Режущая кромка, оставаясь привязанной своим концом к центру О, формирует на шаре коническую поверхность G с вершиной в точке О и очерчивает на сферической поверхности М направляющую линию (1-2-3). По таким же условиям выполняется коническая поверхность на роторе. Направляющая линия (1е-2е-3е) на роторе эквидистантна линии, с точками (1-2-3) на корпусе. Построенные на основе таких винтовых направляющих конусы касаются по их общей образующей и контактируют без зазора и проскальзывания.

По второму варианту в двигателе установлена секция потребителя механической энергии, например нагнетателя газа или жидкости, которая связана с секцией расширительного отсека. В корпусе 1 выполнена винтовая полость 15, ограниченная в радиальном направлении сферическими поверхностями М, а в осевом направлении коническими поверхностями G. В полости 15 выполнена винтовая лопатка 16, ограниченная в радиальном направлении сферическими поверхностями М, а в осевом направлении коническими поверхностями G. Вершины конических поверхностей и центры сферических поверхностей совпадают с точкой пересечения осей вращающегося в опорах корпуса вала, и кривошипа 9, установленного на нем под углом. Лопатка 16 потребителя мощности жестко связана с ротором 7 расширительного отсека посредством поводка 17. Сопряженные конические и сферические поверхности полости 15 и лопатки 16 замыкают волнообразные объемы нагнетаемого продукта, например газообразного или жидкого, и сдвигают их по полости 15 от окна 18 магистрали низкого давления к окну 19 магистрали высокого давления.

Работает двигатель следующим образом. Включается привод 14. Связанный с ним вал компрессорного отсека вращается в опорах корпуса 1 с установленной регулятором скоростью. Ротор 3 с помощью зубчатого зацепления качается на кривошипе 5 вала относительно центра Ок. Размещенная на роторе лопатка 4 качается в полости 2. В полости 2 лопаткой 4 отсекаются волнообразные объемы воздуха, которые при колебании лопатки сдвигаются от окна 12 в сторону камеры сгорания 10. Несколько оборотов вала приводит к наполнению камеры сгорания воздухом и созданию в ней достаточного давления. В камеру сгорания через форсунки подается поток топлива, скорость которого и количество устанавливается регулятором подачи 11. Путем изменения частоты вращения привода 14 и скорости подачи количества топлива регулятором 11 добиваются обеднения или обогащения смеси. Полученная смесь топлива и воздуха поджигается свечой зажигания. Газы от сгорающей смеси создают на активных поверхностях полости 6 и лопатки 8 суммарную составляющую силы и подобно турбине на валу 9 крутящий момент. Давление газов, при сгорании смеси, в камере сгорания возрастает, возрастает и степень сжатия вновь поступающей смеси. Высокое давление газов и высокие температуры горения создают условия для воспламенения вновь поступающих порций смеси. Горение смеси становится устойчивым и прекращается с прекращением подачи топлива. Свеча зажигания необходима для начального воспламенения. Ввиду небольших размеров полости 2 компрессорного отсека противодействие расширяющихся газов поступлению воздуха незначительно.

По второму варианту двигатель позволяет передать потребителю потенциальную энергию давления сгорающего топлива без промежуточных механических устройств. Так же, как в первом варианте работают компрессорный и расширительный отсеки и создается давление в полости 6 расширительного отсека. Нагнетаемый материал в виде волновых объемов заключен между коническими G и сферическими М стенками полостей 15 и лопаток 16. Давление газов через активные конические поверхности жестко соединенных с помощью поводка 17 лопаток 8 и 16 направлено на материал, размещенный в волновых объемах полости 15 потребителя энергии. По сути, давление газов без промежуточных механических передач создает давление на материал, заполняющий полость 15, и направлено на нагнетание материала из магистрали низкого давления и окна 18 в магистраль высокого давления через окно 19. Все остальные узлы и механизмы, при такой передаче потенциальной энергии давления, не подвержены большим нагрузкам и несут в себе потери мощности для собственных нужд управления. Возможно одновременное использование двух путей передачи энергии: по первому и второму вариантам.

В изобретении устранены зазоры между контактирующими активными поверхностями. Площадь активных поверхностей значительно превосходит площадь пассивных поверхностей, тем самым создаются условия для повышения энергоэффективности. Устранено проскальзывание активных винтовых конических поверхностей. Возможно управление начальными параметрами рабочего тела, такими как степенью сжатия, обеднением или обогащением, скоростью формирования топливной смеси. Сгорание смеси происходит при высоком начальном давлении. Путем изменения входных параметров появилась возможность управления выходными параметрами - скоростью, мощностью. Возможно выполнение условия продолженного горения. Предложена передача потенциальной энергии давления газов на материал потребителя, без промежуточных механических преобразователей, например при нагнетании или перекачке жидкости или газа.

1. Двигатель, содержащий компрессорный и расширительный отсеки, каждый из которых оснащен качающимся в корпусе ротором, установленным шарнирно на пальце кривошипа, закрепленном на вращающемся в опорах корпуса валу, который в расширительном отсеке соединен с потребителем механической энергии, полостью, выполненной в корпусе, лопаткой, качающейся в ней, размещенной на роторе, отсекающей точками контакта своих поверхностей с поверхностями полости смещающиеся вдоль нее волнообразные объемы газа, топливную систему с встроенными в камеру сгорания форсунками и свечу зажигания, отличающийся тем, что поверхности, ограничивающие полость, а также лопатку, выполнены в радиальном направлении сферическими, а в осевом направлении коническими, кривошип на валу установлен под углом, а с точкой пересечения осей кривошипа и вала совпадают центры сферических и вершины конических поверхностей, вал компрессорного отсека соединен с валом привода, снабженного регулятором частоты вращения, топливная система снабжена регулятором подачи топлива в камеру сгорания.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в нем установлена секция потребителя механической энергии, например нагнетателя газа, оснащенная выполненной в корпусе полостью, заполненной нагнетаемым материалом, и лопаткой, качающейся в ней, размещенной на роторе расширительного отсека, отсекающей точками контакта сферических и винтовых конических поверхностей волнообразные объемы материала, смещающиеся в полости от окна, связывающего полость с магистралью низкого давления, к окну, связывающему полость с магистралью высокого давления.

www.findpatent.ru

сферический роторно-волновой двигатель с управляемыми параметрами - патент РФ 2529614

Изобретение относится к двигателестроению. Двигатель содержит компрессорный и расширительный отсеки, топливную систему с встроенными в камеру сгорания форсунками и свечу зажигания. Каждый из отсеков оснащен качающимся в корпусе ротором, полостью, выполненной в корпусе, и лопаткой, качающейся в ней. Ротор установлен шарнирно на пальце кривошипа, закрепленном на вращающемся в опорах корпуса валу. Вал в расширительном отсеке соединен с потребителем механической энергии. Лопатка размещена на роторе и отсекает точками контакта своих поверхностей с поверхностями полости смещающиеся вдоль нее волнообразные объемы газа. Поверхности, ограничивающие полость, а также лопатку, выполнены в радиальном направлении сферическими, а в осевом направлении коническими. Кривошип на валу установлен под углом. С точкой пересечения осей кривошипа и вала совпадают центры сферических и вершины конических поверхностей. Вал компрессорного отсека соединен с валом привода, снабженного регулятором частоты вращения. Топливная система снабжена регулятором подачи топлива в камеру сгорания. Изобретение направлено на повышение энергоэффективности. 1 з.п. ф-лы, 6 ил. сферический роторно-волновой двигатель с управляемыми параметрами, патент № 2529614

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, и может быть использовано в автомобильном, газопроводном и нефтепроводном транспорте.

Известны роторно-волновые двигатели внутреннего сгорания, например роторно-волновой двигатель (патент России № 2155272) - объемная прямоточная машина, в которой установленный с минимальным зазором ротор совершает угловые колебания, образуя волны, перекатывающиеся по поверхности корпуса в компрессорном и расширительном отсеках. Однако потребность минимальных зазоров ограничивают его применение.

Наиболее близким аналогом является роторно-волновой двигатель внутреннего сгорания (патент России № 2304225), содержащий секции со спиралеобразными полостями и размещенными в них качающимися спиральными лопатками. Однако отсутствие возможности управления параметрами снижает его энергоэффективность.

Целью изобретения является повышение энергоэффективности.

Сущность изобретения достигается тем, что двигатель, содержащий компрессорный и расширительный отсеки, каждый из которых оснащен качающимся в корпусе ротором, установленным шарнирно на пальце кривошипа, закрепленном на вращающемся в опорах корпуса валу, который в расширительном отсеке соединен с потребителем механической энергии, полостью, выполненной в корпусе, лопаткой, качающейся в ней, размещенной на роторе, отсекающей точками контакта своих поверхностей с поверхностями полости смещающиеся вдоль нее волнообразные объемы газа, топливную систему с встроенными в камеру сгорания форсунками и свечу зажигания. Поверхности, ограничивающие полость, а также лопатку, выполнены в радиальном направлении сферическими, а в осевом направлении коническими, кривошип на валу установлен под углом, а с точкой пересечения осей кривошипа и вала совпадают центры сферических и вершины конических поверхностей, вал компрессорного отсека соединен с валом привода, снабженного регулятором частоты вращения, топливная система снабжена регулятором подачи топлива в камеру сгорания.

По второму варианту в двигателе установлена секция потребителя механической энергии, например нагнетателя газа, оснащенная выполненной в корпусе полостью, заполненной нагнетаемым материалом, и лопаткой, качающейся в ней, размещенной на роторе расширительного отсека, отсекающей точками контакта сферических и винтовых конических поверхностей волнообразные объемы материала, смещающиеся в полости от окна, связывающего полость с магистралью низкого давления, к окну, связывающему полость с магистралью высокого давления.

На фиг.1 представлен двигатель в разрезе, на фиг.2 - двигатель в разрезе по второму варианту, на фиг.3 - коническое зубчатое зацепление, на фиг.4 - схема формирования конической поверхности, на фиг.5 - коническая поверхность, на фиг.6 - схема контактирования двух конических поверхностей.

Двигатель включает в себя компрессорный и расширительный отсеки. В компрессорном отсеке в корпусе 1 выполнена винтовая полость 2. На роторе 3 закреплена винтовая лопатка 4, качающаяся в полости 2 посредством кривошипа 5. В расширительном отсеке в корпусе 1 выполнена винтовая полость 6. На роторе 7 закреплена винтовая лопатка 8, качающаяся в полости 6 посредством кривошипа 9. Роторы 3 и 7 размещены шарнирно на кривошипах 5 и 9, установленных под углом на вращающихся в опорах корпуса валах. С помощью конических зубчатых зацеплений с одинаковым числом зубьев колес роторы 3 и 7, а также лопатки 4 и 8 качаются в корпусе относительно точек Ок и Ор пересечения кривошипов 5 и 9 с их валами. Полости 2 и 6, а также лопатки 4 и 8 ограничены в радиальном направлении сферическими поверхностями М, а в осевом направлении коническими поверхностями G. Вершины конических поверхностей и центры сферических поверхностей совпадают с соответствующими точками пересечения осей Ок и Ор. Полости 2 и 6 соединены с камерой сгорания 10, оснащенной топливными форсунками и свечой зажигания. Топливная система оснащена регулятором 11 подачи топлива в камеру сгорания. Полость 2 снабжена впускным окном 12, а полость 6 снабжена выпускным окном 13. Двигатель снабжен приводом 14 с регулятором частоты вращения, вал которого соединен с валом компрессорного отсека. Сопряженные сферические М и конические G поверхности полостей 2 и 6 и лопаток 4 и 8 замыкают волнообразные объемы воздуха в компрессорном отсеке и волнообразные объемы газа в расширительном отсеке, которые сдвигаются по винтовым полостям. Конические поверхности, ограничивающие замкнутые объемы, являются активными, передающими распределенное давление газов на вал расширительного отсека потребителю механической энергии. С целью продолженного горения в расширительном отсеке может быть установлено в корпусе несколько секций с подобными полостями, соединенными промежуточными каналами, и качающимися в них лопатками, объединенными общим ротором.

Начальные условия получения конической поверхности. Шар с центром в точке О установлен в системе XYZ. Режущая кромка резца размещена в локальной системе координат xyz, начало координат которой совпадает с центром шара О, а режущая кромка совпадает с осью Oz. Плоскость xOz равномерно вращается со скоростью сферический роторно-волновой двигатель с управляемыми параметрами, патент № 2529614 относительно оси Ох (Оx1, Оx2, Ох3...) и с ускорением е вращается относительно оси Oz (Ozl, Oz2, Oz3...). Режущая кромка, оставаясь привязанной своим концом к центру О, формирует на шаре коническую поверхность G с вершиной в точке О и очерчивает на сферической поверхности М направляющую линию (1-2-3). По таким же условиям выполняется коническая поверхность на роторе. Направляющая линия (1е-2е-3е) на роторе эквидистантна линии, с точками (1-2-3) на корпусе. Построенные на основе таких винтовых направляющих конусы касаются по их общей образующей и контактируют без зазора и проскальзывания.

По второму варианту в двигателе установлена секция потребителя механической энергии, например нагнетателя газа или жидкости, которая связана с секцией расширительного отсека. В корпусе 1 выполнена винтовая полость 15, ограниченная в радиальном направлении сферическими поверхностями М, а в осевом направлении коническими поверхностями G. В полости 15 выполнена винтовая лопатка 16, ограниченная в радиальном направлении сферическими поверхностями М, а в осевом направлении коническими поверхностями G. Вершины конических поверхностей и центры сферических поверхностей совпадают с точкой пересечения осей вращающегося в опорах корпуса вала, и кривошипа 9, установленного на нем под углом. Лопатка 16 потребителя мощности жестко связана с ротором 7 расширительного отсека посредством поводка 17. Сопряженные конические и сферические поверхности полости 15 и лопатки 16 замыкают волнообразные объемы нагнетаемого продукта, например газообразного или жидкого, и сдвигают их по полости 15 от окна 18 магистрали низкого давления к окну 19 магистрали высокого давления.

Работает двигатель следующим образом. Включается привод 14. Связанный с ним вал компрессорного отсека вращается в опорах корпуса 1 с установленной регулятором скоростью. Ротор 3 с помощью зубчатого зацепления качается на кривошипе 5 вала относительно центра Ок. Размещенная на роторе лопатка 4 качается в полости 2. В полости 2 лопаткой 4 отсекаются волнообразные объемы воздуха, которые при колебании лопатки сдвигаются от окна 12 в сторону камеры сгорания 10. Несколько оборотов вала приводит к наполнению камеры сгорания воздухом и созданию в ней достаточного давления. В камеру сгорания через форсунки подается поток топлива, скорость которого и количество устанавливается регулятором подачи 11. Путем изменения частоты вращения привода 14 и скорости подачи количества топлива регулятором 11 добиваются обеднения или обогащения смеси. Полученная смесь топлива и воздуха поджигается свечой зажигания. Газы от сгорающей смеси создают на активных поверхностях полости 6 и лопатки 8 суммарную составляющую силы и подобно турбине на валу 9 крутящий момент. Давление газов, при сгорании смеси, в камере сгорания возрастает, возрастает и степень сжатия вновь поступающей смеси. Высокое давление газов и высокие температуры горения создают условия для воспламенения вновь поступающих порций смеси. Горение смеси становится устойчивым и прекращается с прекращением подачи топлива. Свеча зажигания необходима для начального воспламенения. Ввиду небольших размеров полости 2 компрессорного отсека противодействие расширяющихся газов поступлению воздуха незначительно.

По второму варианту двигатель позволяет передать потребителю потенциальную энергию давления сгорающего топлива без промежуточных механических устройств. Так же, как в первом варианте работают компрессорный и расширительный отсеки и создается давление в полости 6 расширительного отсека. Нагнетаемый материал в виде волновых объемов заключен между коническими G и сферическими М стенками полостей 15 и лопаток 16. Давление газов через активные конические поверхности жестко соединенных с помощью поводка 17 лопаток 8 и 16 направлено на материал, размещенный в волновых объемах полости 15 потребителя энергии. По сути, давление газов без промежуточных механических передач создает давление на материал, заполняющий полость 15, и направлено на нагнетание материала из магистрали низкого давления и окна 18 в магистраль высокого давления через окно 19. Все остальные узлы и механизмы, при такой передаче потенциальной энергии давления, не подвержены большим нагрузкам и несут в себе потери мощности для собственных нужд управления. Возможно одновременное использование двух путей передачи энергии: по первому и второму вариантам.

В изобретении устранены зазоры между контактирующими активными поверхностями. Площадь активных поверхностей значительно превосходит площадь пассивных поверхностей, тем самым создаются условия для повышения энергоэффективности. Устранено проскальзывание активных винтовых конических поверхностей. Возможно управление начальными параметрами рабочего тела, такими как степенью сжатия, обеднением или обогащением, скоростью формирования топливной смеси. Сгорание смеси происходит при высоком начальном давлении. Путем изменения входных параметров появилась возможность управления выходными параметрами - скоростью, мощностью. Возможно выполнение условия продолженного горения. Предложена передача потенциальной энергии давления газов на материал потребителя, без промежуточных механических преобразователей, например при нагнетании или перекачке жидкости или газа.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Двигатель, содержащий компрессорный и расширительный отсеки, каждый из которых оснащен качающимся в корпусе ротором, установленным шарнирно на пальце кривошипа, закрепленном на вращающемся в опорах корпуса валу, который в расширительном отсеке соединен с потребителем механической энергии, полостью, выполненной в корпусе, лопаткой, качающейся в ней, размещенной на роторе, отсекающей точками контакта своих поверхностей с поверхностями полости смещающиеся вдоль нее волнообразные объемы газа, топливную систему с встроенными в камеру сгорания форсунками и свечу зажигания, отличающийся тем, что поверхности, ограничивающие полость, а также лопатку, выполнены в радиальном направлении сферическими, а в осевом направлении коническими, кривошип на валу установлен под углом, а с точкой пересечения осей кривошипа и вала совпадают центры сферических и вершины конических поверхностей, вал компрессорного отсека соединен с валом привода, снабженного регулятором частоты вращения, топливная система снабжена регулятором подачи топлива в камеру сгорания.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в нем установлена секция потребителя механической энергии, например нагнетателя газа, оснащенная выполненной в корпусе полостью, заполненной нагнетаемым материалом, и лопаткой, качающейся в ней, размещенной на роторе расширительного отсека, отсекающей точками контакта сферических и винтовых конических поверхностей волнообразные объемы материала, смещающиеся в полости от окна, связывающего полость с магистралью низкого давления, к окну, связывающему полость с магистралью высокого давления.

www.freepatent.ru

роторно-волновой двигатель - патент РФ 2413077

Изобретение относится к машиностроению. Роторно-волновой двигатель включает корпус с размещенными в нем компрессорным и расширительным отсеками, впускным и выпускным окнами и камерой сгорания. Камера сгорания снабжена топливными форсунками и соединена с помощью промежуточных каналов с полостями, контактирующими своими поверхностями с поверхностями подобных нагнетателей. Нагнетатели установлены на роторе, вращающемся на кривошипе вала с помощью механизма с передаточным числом, равным единице. Полости выполнены круговыми, разделены перемычками и в области раздела снабжены цилиндрическими нишами. В нишах размещены цилиндрические кулачки, закрепленные на нагнетателях круговой формы в области раздела их прорезями. Техническим результатом является уменьшение удельной массы двигателя. 2 ил. роторно-волновой двигатель, патент № 2413077

Рисунки к патенту РФ 2413077

Устройство относится к области машиностроения, а в частности к двигателестроению, и может быть использовано в компрессоростроении и насосостроении.

Известны бесшатунные двигатели внутреннего сгорания, например роторно-волновой двигатель (патент России № 2155272) - объемная прямоточная машина, в которой установленный с минимальным зазором ротор совершает угловые колебания, образуя волны, перекатывающиеся по поверхности корпуса в компрессорном и расширительном отсеках.

Известный двигатель из-за конической формы корпуса и ротора имеет потери мощности в виде ее осевой составляющей.

Прототипом является роторно-волновой двигатель (патент России № 2304225), содержащий спиралеобразные полости, в которых эксцентрично размещены спиралеобразные нагнетатели.

Однако спиралеобразные поверхности требуют повышенных радиальных размеров и повышенной удельной массы двигателя.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков.

Согласно изобретению роторно-волновой двигатель включает корпус с размещенными в нем компрессорным и расширительным отсеками, впускным и выпускным окнами, камерой сгорания, снабженной топливными форсунками, соединенной с помощью промежуточных каналов с полостями, контактирующими своими поверхностями с поверхностями подобных нагнетателей, установленных на роторе, вращающемся на кривошипе вала, с помощью механизма с передаточным числом, равным единице. Полости выполнены круговыми, разделены перемычками и в области раздела снабжены цилиндрическими нишами, в которых размещены цилиндрические кулачки, закрепленные на нагнетателях круговой формы в области раздела их прорезями.

В корпусе 1 выполнены круговые полости 2. В области раздела перемычками 3 полости 2 снабжены нишами 4. Кулачки 5 жестко установлены на круговых нагнетателях 6 в области их раздела прорезями. Нагнетатели 6 закреплены на роторе 7, вращающемся на кривошипе вала 8 с помощью установленного на корпусе механизма 9 с передаточным числом, равным единице. Эксцентричное размещение нагнетателей 6 в полостях 2 и кулачков 5 в нишах 4 позволяет создавать рабочие камеры переменных объемов, заключенные между точками контакта сопряженных поверхностей. Камера сгорания с топливными форсунками соединена промежуточными каналами с полостями 2 компрессорного и расширительного отсеков. Двигатель снабжен впускным 10 и выпускным 11 окнами.

Через впускное окно 10 компрессорного отсека воздух попадает в рабочие камеры переменных объемов, отсекается точками контакта поверхностей полостей 2 и нагнетателей 6, ниш 4 и кулачков 5 и поступает в камеру сгорания с топливными форсунками. В расширительном отсеке газ, в аналогичных рабочих камерах переменных объемов, создает момент силы на валу 8 и выходит в выпускное 11 окно.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен двигатель в разрезе А-А на фиг.2; на фиг.2 совмещены разрезы Б-Б и В-В на фиг.1.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Роторно-волновой двигатель, включающий корпус с размещенными в нем компрессорным и расширительным отсеками, впускным и выпускным окнами, камерой сгорания, снабженной топливными форсунками, соединенной с помощью промежуточных каналов с полостями, контактирующими своими поверхностями с поверхностями подобных нагнетателей, установленных на роторе, вращающемся на кривошипе вала с помощью механизма с передаточным числом, равным единице, отличающийся тем, что полости выполнены круговыми, разделены перемычками и в области раздела снабжены цилиндрическими нишами, в которых размещены цилиндрические кулачки, закрепленные на нагнетателях круговой формы в области раздела их прорезями.

www.freepatent.ru


© ЗАО Институт «Севзапэнергомонтажпроект»
Разработка сайта