початок розділу Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві	хитрощі майстру електроніка фізика технології винаходи	таємниці космосу таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу
Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання)

Роторно-ХВИЛЬОВИЙ ДВИГУН

Автор статті: Седунов І. П.

Залиште коментар

У ньому вдасться повністю або частково відмовитися від: охолодження і мастила, прибрати глушник шуму, маховик, і це при кількості деталей не більшому, ніж в двотактному мото - велодвігателе.

На сьогоднішньому етапі розвитку техніки ця задача може бути вирішена тільки з переходом до якісно новим двигунам внутрішнього згоряння з іншими конструктивними принципами і рішеннями. Таким умовам повністю відповідає концептуальна ідея "роторно-хвильового двигуна" (пат. Росії № 2155272) - об'ємної прямоточною машини, що відтворює послідовність роботи газотурбінного двигуна. У ньому абсолютно усунуто зворотно-поступальний рух робочих органів, ротор повністю урівноважений і обертається з постійною кутовою швидкістю. Робоче тіло, як і в турбіні, рухається уздовж осі двигуна, траєкторія руху - гвинтова лінія. У конструкції відсутній шкідливий простір, що обмежує зростання ступеня стиснення робочого тіла. Через відсутність ущільнювальних елементів і, відповідно тертя в проточній частині, знімаються обмеження по ресурсу і числах оборотів двигуна. Робочий процес допускає, довільно змінювати ступінь стиснення і розширення робочого тіла; без додаткових регулювань і зупинки двигуна здійснювати перехід на будь-який сорт палива.

Оригінальна кінематична схема і прогресивний робочий процес роторного двигуна дозволяє зібрати в одній конструкції тільки позитивні сторони всіх типів ДВС. В основі ж кінематики роторно-хвильового двигуна (РВД) лежить сферичний механізм, де осі його основних деталей перетинаються в одному місці - центрі уявної сфери.

Встановлений з мінімальним зазором конічний гвинтовий ротор поєднує обертання з протилежним йому планетарним обкативаніем по внутрішнім огинають корпусу. Накладаючи два ці види руху на будь-які перетину ротора (крім центру - точки його перегину), можна побачити, що вони роблять в певній послідовності рівні кутові коливання в пазах корпусу, утворюючи хвилі, які послідовно перекочуються по ходу гвинтових поверхонь корпусу.

Аналогічний процес можна бачити на море, спостерігаючи в вітряну погоду за переміщенням хвиль в "стоячій воді".

У компресорному відсіку формування і рух хвиль починається від периферії в напрямку до центру, а в розширювальному відсіку - навпаки - від центру до периферії.

Ротор (1) і вал відбору потужності (3) з'єднуються між собою в центрі двигуна шарніром Гука (4), який можна назвати шарніром рівних кутових швидкостей (Шрусов). Необхідна ж ротора "додаткове" обкатування за внутрішніми огинають корпусу задається допоміжним пристроєм - так званим "генератором хвиль". Його основний елемент - обертається на основному валу ексцентрик (5), з приводом через блок шестерень (6) все від того ж валу. Ексцентрик нахиляючи ротор від 3 до 6 градусів забезпечує кутове хитання перетинах ротора в межах від 12 до 24 градусів (докладніше див. В галузевому журналі "Двигунобудування" 2 і 3 № за 2001 г.). У такій комплектації розрахунковий механічний ККД двигуна складе небачену цифру - 97%.

З початком обертання, гвинтові поверхні ротора починають відкривати внутрішні порожнини гвинтових каналів компресорного відсіку, засмоктуючи і них повітря двома потоками, зміщеними відносно один одного на 180 градусів. За один оборот ротора в обидва канали компресорного відсіку засмоктуються і відсікаються від впускного тракту по дві порції повітря. При подальшому повороті, кожна порція повітря почне самостійно переміщатися до центру двигуна, безперервно скорочуючись в обсязі за рахунок зменшення кроку і амплітуди самого витка. Процес стиснення триватиме до тих пір, поки всі зменшується обсяг зі стисненим повітрям не підійде до камери згоряння. У цей момент процес внутрішнього стиснення повітря в компресорному відсіку закінчиться, настає наступний етап - виштовхування стиснутого повітря в камеру згоряння тильною стороною витка, ближче інших знаходиться до центру ротора. Цей процес супроводжується безперервним розпилюванням палива в повітряному потоці з наступним його згоряння в загальній камері, куди і виштовхуються всі порції повітря. Для початкового підпалювання паливоповітряної суміші в камері встановлюється запальний свічка. Після запуску подальше підпалювання суміші має підтримуватися газами, що залишилися від попередніх циклів в загальній камері згоряння. Останні, з високою температурою і тиском покидаючи камеру згоряння, заповнюють на роторі гвинтові канали розширювальних відсіків, розташованих по інший бік від центру ротора (точки, де крок і амплітуда кутових коливань дорівнює нулю). З поворотом останнього відбувається збільшення обсягів розширювальних відсіків за рахунок чого і здійснюється робочий хід. На момент максимального розширення, кромки зовнішніх витків ротора відкриваються і гази спочатку вільно, а потім примусово видавлюються в випускний колектор. Інтервал випуску відпрацьованих газів з чергової камери розширення складе 180 градусів. Частина отриманої в циклі потужності повертається тілом ротора в компресорний відсік.

Описаний робочий процес відповідає найпростішій конструкції, в якій двухзаходная корпус працює в парі з однозаходний ротором. Зростання ж числа заходів неминуче призводить до ускладнення форми корпусу і ротора, які між собою будуть співвідноситися як цілі порядкові числа: 2 \ 1; 3 \ 2; 4 \ 3; 5 \ 4 і т.д. Поперечні перерізи тіл ротора і корпусу в усіх випадках будуть мати гіпотрохоідние форми із зовнішніми огинають: наприклад, як це показано на Рис. 2 і 3. На рис 3. зображений один з альтернативних варіантів відбору потужності від ротора - валом з косою шийкою.

Розглянутий тип двигуна, в основі якого лежить внутрішнє гвинтове зачеплення ротора з корпусом, утворює нове сімейство прямоточних колівратні машин: в ньому, зі збільшенням кількості заходів ротора і корпусу, кутова швидкість ротора і відповідно вала відбору потужності обладнаного Шрусов падатиме, з одночасним зростанням величини крутного моменту. Ця чудова особливість кінематичної схеми РВД дозволить многозаходная ротора за сумісництвом виконувати ще й функцію понижуючого редуктора. Адже не секрет, що зростання потужності двигуна завжди йде по шляху збільшення робочих оборотів (йому більше нікуди йти), а споживачі енергії, будь то гвинт судна, або автомобільне колесо, залишаються практично незмінними. Доводиться ставити додаткові редуктори для зниження оборотів. А тут, двигун сам собі і редуктор.

Функція редуктора в многозаходних конструкціях (Рис.2) покладено на механізм синхронізації, що складається з нерухомого вінця з внутрішнім зачепленням (1) і меншою за діаметром планетарної шестерні із зовнішнім зачепленням (2) жорстко з'єднаної з ротором. Кількість зубів вінця до шестерні завжди має відповідати обраній пропорції корпусу до ротора. Інакше не можна, тільки цим досягається синхронізація і необхідну трохоідное рух ротора. Кожному новому обкатування шестерні ротора буде відповідати її поворот на фіксований разом з ротором кут. Для двухзаходная ротора, що працює в парі з трехзаходним корпусом, на одне обкатування шестерні доводиться поворот ротора в корпусі на 50%, в трехзаходном варіанті ротора - на 33%, в четирехзаходном - на 25% і т.д.

Якщо спочатку однозаходний ротор, що працює в парі з двухзаходная корпусом еквівалентний восьмициліндровому поршневого ДВС, то вже двухзаходная ротор в парі з трехзаходним корпусом еквівалентні 24-х циліндровому ДВС. Дальше більше. Трехзаходний ротор відповідає 48 циліндровому поршневому ДВС, четирехзаходний - 80 циліндровому ДВС і т.д.

Для останнього прикладу, у якого буде дещо менший механічний ККД (94 -95%), розрахунковий крутний момент на вихідному валу збільшиться від 16 до 21 рази в порівнянні з поршневим аналогом, і це при рівних з ним оборотах і літражі двигуна. Що само по собі, наприклад, для автомобільного варіанту вже не вимагає установки за двигуном коробки передач, яка підвищує крутний момент двигуна всього в 4 - 10 разів.

Тут ротор, виробляючи повний оборот, змушений при цьому здійснювати чотири повних обкатування за внутрішніми огинають корпусу. Відповідно, при 2500 об / хв ротора, кожен з п'яти гвинтових каналів корпусу повинен всмоктати по 10000 обсягів повітря, що в сумі складе 50000 обсягів в хвилину. Для порівняння, у аналогічного одноциліндрового чотиритактного ДВС при рівних обертах, кількість тактів всмоктування наповнить 625 робочих обсягів двигуна (кожен четвертий такт - всмоктування). Ось звідки вона, восьмідесятікратная різниця. З огляду на низький коефіцієнт наповнення безнаддувного поршневого двигуна, рівний 85% проти 100-105% в РВД, фактична різниця збільшиться до 94. Ми не врахували ще різницю в механічному ККД поршневого ДВС і РВД відповідно 85% проти 94%. Співвіднесемо її на протікання робочого тіла через "нещільності" ротора.

Залишилося згадати і про гранично допустимих оборотах РВД, порівнявши їх з серійними двигунами. Сучасний поршневий ДВС застосовує 4500 - 6000 об / хв; аналогічна по потужності газова турбіна вільно розкручується до 50000 - 70000 об / хв; РВД повинен зайняти проміжне положення - його доля від 2500 до 30000 об / хв (все залежить від кількості заходів ротора).

У робочих відсіках РВД одночасно може стискуватися і розширюватися від декількох одиниць до декількох десятків обсягів повітря. А то місце, де ротор, ледь не торкаючись своєю поверхнею, наближається на мінімальну відстань до корпусу, якраз і є рухомою розділової лінією між послідовно рухаються камерами (на Рис.1 перетину 1-1 і 1Х-1Х). За кожен оборот ротора ступінь стиснення (розширення) змінюється в 4-5 разів. Теоретична ж ступінь стиснення (розширення) в одному агрегаті може досягати ста одиниць (все залежить від кількості витків), і це при повній відмові від ущільнюючих елементів, роль яких виконує тіло ротора.

Ротор, звільняючись від механічного тертя "закручує" порції повітря в камеру згоряння ніде не торкаючись стінок корпусу, тому так само відпадає необхідність в мастилі робочих відсіків двигуна. Тертя залишається лише в підшипниках кочення, на які спирається ротор за межами гарячих зон і в ШРУС. Останній же конструктивно дуже просто дозволяє передавати весь потік потужності від ротора вихідному валу фактично без втрат. Досить згадати, що механічний ККД широко використовуваних в техніці ШРУСов дуже високий і коливається при малих кутах гойдання від 99 до 99,5%. Крім цього, шарнірне з'єднання автоматично точно центрує ротор в будь-якому його положенні, а сам шарнір, розташований в центрі двигуна, надійно захищений від теплового впливу камери згоряння необхідної товщиною сферичного теплового екрана.

Як бачимо, в РВД ніщо не перешкоджає застосуванню дуже високих обертів: ротор обертається з постійною кутовою швидкістю, він прекрасно врівноважується, замість клапанів, або навіть вікон, в конструкції використовуються канали необмеженої пропускної здатності для безперервного надходження повітря в робочі відсіки двигуна. Відсутність тертя і знімає обмеження по зносу деталей і ресурсу двигуна в цілому. У двигуні будуть зношуватися тільки підшипники, а для них ресурс в 30 - 40 тис. Робочих годин не межа. Зауважимо до речі, що хороший автомобільний двигун в наш час має моторесурс 5000- 7000 годин до першого ремонту. Автомобільні РВД, при необмеженої потужності виявляться довговічніші, ніж рама автомобіля (саме довговічне, що є в ньому).

Робочий процес для камери постійного горіння, дозволяє, не зупиняючи двигун, подавати в нього будь-який вид рідкого, газоподібного або навіть твердого розпорошеного палива, повністю стираючи межі між турбінами, дизельними і карбюраторними двигунами.

У кінематичних ланках механізмів поршневих і роторних ДВЗ присутні так звані "мертві точки", для їх подолання за двигуном встановлюється значний по масі маховик. У РВД ж - газові сили, що діють на ротор, спрямовані завжди по дотичній до його поверхні, вони постійні і безперервні, що робить абсолютно не потрібної установку маховика, а в деяких випадках і противаг, що застосовуються для повного урівноваження двигуна.

Основні параметри компресорного та розширювального відсіків РВД така, що допускає і, без зупинки двигуна, в широких межах змінювати ступінь стиснення і розширення робочого тіла, в тому числі до повного розширення відпрацьованих газів, при якому відпадає необхідність у глушнику шуму. Зникає не лише значний опір, яке створює глушник, відбираючи в двигуна до 10% його потужності, а й в процесі продовженого розширення виділиться ще 10 -15% додаткової енергії.

Зрозуміло, приріст потужності в 20-25% дуже привабливі і для розробників серійних ДВС. На практиці ж продовжене розширення не вдається застосовувати через недоцільного збільшення вагогабаритних показників силових установок з одночасним зростанням в них величини механічних втрат.

Ну і, нарешті, головний резерв підвищення ККД - застосування в конструкції РВД керамічних матеріалів - жароміцних теплоізольованих покриттів, що дозволяють відмовитися від системи охолодження і замінити собою складні турбокомпаундние двигуни. З використанням тільки таких властивостей кераміки для РВД, якими вона завжди мала - здатністю працювати на стиск, помірне розтягування при стабільній температурі і тиску у всіх перетинах корпусу і ротора.

На закінчення наведемо ще кілька цифр. Розрахунковий індикаторний ККД простого циклу РВД в адіабатні виконанні і дуже помірного ступеня стиснення рівний 15 зі ступенем розширення 36 складе 51%. Відповідно витрата палива в цьому випадку може скласти 171 г / кВт, при питомій вазі силової установки 0,15 - 0,25 кг / кВт. Для порівняння - в дизельному двигуні, що використовують таку ступінь стиснення, витрата палива становить 224 г / кВт при питомій вазі 3,5 - 15 кг / кВт. За рахунок подальшого збільшення ступеня стиснення в РВД і використання в ньому системи регенерації відпрацьованих газів (для повернення втрачається з відпрацьованими газами теплоти), індикаторний ККД теплового циклу можна ще значно збільшити.

Там, де потрібно отримати максимальний витрата повітря і величезні потужності, наприклад, для авіації і суднових установок - вигідніше використовувати багатозахідні кінематичні схеми, обмежені по зростанню ступеня стиснення. Якщо головним фактором виступає економічність, перспективнішою використовувати двох - трехзаходние схеми роторів, як найбільш прості і допускають найбільшу ступінь стиснення і розширення робочого тіла.

Необхідно визнати, що на даний момент часу сильно відстає технологічна база підприємств, які можна залучати для виготовлення подібного класу машин, але в той же час інтенсивний розвиток комп'ютерного проектування здатне вирішити багато технічних питань, відкриваючи тим самим сприятливі умови для створення високоекономічних і екологічно безпечних енергетичних установок .

Версія для друку
Росія тел / факс: (812) 379-17-32
Автор: Седунов І.П.
PS Матеріал захищений.
Дата публікації 23.09.2004гг

НОВІ СТАТТІ ТА ПУБЛІКАЦІЇ
	Технологія виготовлення універсальних муфт для бесварочного, безрезьбовиє, бесфлянцевого з'єднання відрізків труб в трубопроводах високого тиску (мається відео)
	Технологія очищення нафти і нафтопродуктів
	Про можливість переміщення замкнутої механічної системи за рахунок внутрішніх сил
	Світіння рідини в тонких діелектричних каналох
	Взаємозв'язок між квантової і класичної механікою
	Міліметрові хвилі в медицині. Новий погляд. ММВ терапія
	магнітний двигун
	Джерело тепла на базі нососних агрегатів