РОТОРНО-РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ТИГУНЦЕВА
TIGUNTSEV ROTARY JET ENGINE

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к роторным двигателям внутреннего сгорания.
Известен ротационный двигатель [патент DE 2910304, опубликован 25.09.1980], в корпусе которого расположен цилиндрический ротор с тремя полостями на боковой поверхности. На корпусе двигателя закреплен цилиндр нагнетателя рабочей смеси, поршень которого снабжен кривошипно-шатунным механизмом. В процессе работы двигателя поршень проталкивает сжатую рабочую смесь поочередно в одну из полостей ротора. Смесь под действием запальной свечи воспламеняется в замкнутом объеме, ограниченном стенками полости и корпуса, что приводит к значительному повышению давления. При дальнейшем повороте ротора полость соединяется с выпускным отверстием, и происходит выхлоп.
Недостатком указанного роторного двигателя с одноцилиндровым нагнетателем является низкая удельная мощность. Это обусловлено тем, что горение рабочей смеси происходит в замкнутом объеме, а вращательный момент возникает только во время выхлопа.
Известен роторный двигатель Кузнецова [патент РФ 2074967, опубликован 10.03.1997]. В корпусе двигателя расположен цилиндрический ротор, на боковой поверхности которого выполнены три равноудаленные друг от друга полости. На корпусе, непосредственно в плоскости расположения ротора (одна плоскость симметрии, поперечная по отношению к валу ротора), закреплены два цилиндра с поршнями, приводимыми в движение посредством шатунно-кривошипных механизмов. Головка каждого цилиндра сообщается с камерой сгорания, находящейся за пределами корпуса двигателя и которая снабжена запальной свечой. Выходное сопло каждой камеры сгорания направлено внутрь корпуса и при подходе очередной полости ротора сообщается с ней. Вал ротора через систему шестерен связан с шатунно-кривошипными механизмами поршней так, что, когда один поршень находится в крайней «верхней» точке, другой в это время находится в крайней «нижней» точке. Горение рабочей смеси осуществляется в камере сгорания, а продукты сгорания направляются поочередно в полости ротора, что и приводит ротор во вращение. За один оборот ротора каждый поршень успевает выполнить три цикла, а соответственно, ротор испытывает шестиразовое воздействие газов.
КПД этого двигателя существенно выше, чем у описанного выше аналога. Однако для согласования действия двух диаметрально установленных цилиндров, а именно действий шатунно-кривошипных механизмов, в двигателе использована громоздкая шестеренная система передач. Она состоит из шестерни, установленной на валу ротора, двух шестерней на осях обоих кривошипов цилиндров и двух промежуточных шестерней. Это определяет низкий показатель мощности на единицу массы двигателя. Кроме громоздкости эта система еще и не обладает достаточной надежностью.
Известен роторно-реактивный двигатель Арутюнова [патент РФ 2406836, опубликован 20.12.2010], принятый за прототип. Роторно-реактивный двигатель Арутюнова содержит корпус с расположенным в нем цилиндрическим ротором. На корпусе закреплены два цилиндра, в каждом из которых размещен поршень, снабженный шатунно-кривошипным механизмом, который посредством шестеренной передачи соединен с валом ротора. На боковой поверхности ротора выполнены три равноудаленные друг от друга фигурные полости. В корпусе имеются два выпускных сопла и два впускных канала, каждый из которых сообщается с соответствующим цилиндром. Оба цилиндра установлены за или перед ротором, то есть они смещены вдоль оси ротора и не расположены в плоскости ротора. Каждый цилиндр закреплен на корпусе своим торцом со стороны кривошипной камеры. При этом ось кривошипа шатунно-кривошипного механизма каждого цилиндра и шестеренная передача расположены внутри корпуса, внутренний диаметр которого практически равен (с учетом технологического зазора) наружному диаметру ротора или соизмерим с ним. При этом цилиндры являются компрессорами, подающими воздух (свежий воздушный заряд) через впускные каналы в полости ротора, а для подачи топлива в полости ротора на корпусе установлены две форсунки.
Двигатель работает следующим образом. При движении поршня компрессора из крайней верхней точки вниз происходит всасывание воздуха в цилиндр. Движение передается от ротора, который совершает вращательное движение. Достигнув крайней нижней точки, поршень, совершая возвратно-поступательное движение, начинает движение вверх, и как только поршень достигает крайней верхней точки, выпускной клапан открывается, и весь свежий воздушный заряд с необходимой степенью сжатия и температурой через впускной канал поступает в полость ротора, находящуюся в этот момент в зоне расположения впускного канала. При дальнейшем вращении ротора полость попадает в сектор форсунки для впрыска топлива, где происходит впрыск топлива. Необходимая степень сжатия и температура воздушного заряда сохраняется неизменной в виду того, что поверхность цилиндрического ротора плотно прилегает к внутренней цилиндрической поверхности корпуса, образуя в полости непроницаемую камеру сгорания постоянного объема. В процессе впрыска топлива за счет самовоспламенения или под действием искры от искрового разрядника в полости ротора инициируется детонационное горение. Ротор продолжает вращение, полость подходит к выпускному соплу, и через него происходит истечение тангенциально направленного газового потока, возникшего при детонационном расширении продуктов горения. Создается вращающий момент, действующий на ротор. При дальнейшем вращении ротора полость ротора соединяется с соплом и с впускным каналом. В это время происходит продувка полости ротора. Это увеличивает мощность и обеспечивает экономию топлива. Описанные процессы повторяются со всеми тремя полостями ротора. Так как два поршня компрессора работают в противофазе, то за одни оборот ротора рабочий процесс совершается дважды в каждой из полостей ротора, то есть за одни оборот ротора совершается шесть рабочих циклов, сопровождающихся выхлопами отработанных газов, создающими импульсы вращения ротора.
КПД этого двигателя достаточно высокий. Однако обеспечение плотного прилегания поверхности цилиндрического ротора внутренней цилиндрической поверхности корпуса, для образования в каждой полости непроницаемой камеры сгорания постоянного объема по всей окружности без компрессионных элементов, представляет сложную техническую задачу. Кроме того, реализация компрессора из двух диаметрально установленных цилиндров и шатунно-кривошипных механизмов с шестеренной системой передач уменьшает надежность устройства и уменьшает удельные показатели мощность/ вес.
В основу изобретения поставлена задача создания новой надежной и компактной конструкции роторно-реактивного двигателя. Достигаемый технический результат - повышение удельной мощности на единицу веса двигателя.
Роторно-реактивный двигатель содержит корпус с расположенным в нем ротором, закрепленном на валу, и с закрепленным на корпусе компрессором. На поверхности ротора выполнены равноудаленные друг от друга полости. В корпусе расположены выпускные сопла, впускные каналы и топливные форсунки.
Задача решается следующим образом. Корпус роторно-реактивного двигателя выполнен в форме разъемного пустотелого тора, соединенного резьбовыми элементами по внешней стороне тора. Ротор двигателя с полостями выполнен в форме сплошного тора, который жестко закреплен на диске, который жестко закреплен на валу. Диск сочленен с корпусом через уплотнители, например, сальникового типа. Тор ротора компрессионно сочленен с внутренней поверхностью тора корпуса за счет компрессионных колец, установленных радиально между соседними полостями ротора, сечение которых в плоскости, перпендикулярной оси двигателя, образовано тремя сторонами - частью тора корпуса по его окружности, частью радиуса окружности тора ротора, частью хорды окружности тора ротора.
К корпусу двигателя присоединен корпус компрессора, который выполнен также в форме разъемного пустотелого тора, соединенного резьбовыми элементами по внешней стороне тора. Поршень-ротор компрессора выполнен в форме тора, жестко закрепленного на диске, жестко закрепленном на валу, со скошенным по эллипсной траектории краем, имеющим поверхность, параллельную валу ротора, с которой сочленены две подпружиненные заслонки. Диск сочленен с корпусом через уплотнители, например, сальникового типа. Поверхность поршня-ротора компрессора скошена по эллипсной траектории. Скошенная поверхность поршня-ротора параллельна валу ротор. Со скошенной поверхностью сочленены две подпружиненные заслонки, расположенные радиально между двумя парами впускных и выпускных отверстий компрессора. Заслонки в опущенном положении полностью закрывают радиальное сечение тора поршня-ротора компрессора. Тор поршня-ротора компрессионно сочленен с внутренней поверхностью тора корпуса за счет компрессионных колец, установленных радиально на торе поршня-ротора в местах, где радиальное сечение тора поршня-ротора является кругом. Впускные отверстия камер сжатия компрессора через клапаны присоединены к системе подготовки воздуха, выпускные отверстия через клапаны присоединены к резервуару со сжатым воздухом, который через клапаны присоединен к впускным каналам двигателя.
В предлагаемом роторно-реактивном двигателе, при количестве полостей на роторе, большем трех, количество выпускных сопел, впускных каналов и топливных форсунок на единицу меньше, чем полостей, причем полости по окружности ротора расположены через угол, кратный: 360 градусов, деленные на количество полостей, а выпускные сопла, впускные каналы и топливные форсунки расположены на корпусе через угол, кратный: 360 градусов, деленные на количество полостей минус единица.
В предлагаемом роторно-реактивном двигателе для обеспечения лучшего истечения отработавших продуктов выпускные сопла выполнены расширяющимися от внутренней поверхности корпуса к внешней.
В предлагаемом роторно-реактивном двигателе для повышения эффективности воздействия детонационной волны на ротор полости выполнены фигурными, а именно поверхности полостей, расположенные радиально в плоскости, проходящей через ось ротора, выполнены выгнутыми по направлению вращения ротор, а поверхности, расположенные под прямым углом к радиальным, выполнены выпуклыми от оси ротора.
Более подробно сущность изобретения раскрывается в приведенном ниже примере и иллюстрируется чертежами, на которых представлено: фиг.1,а - поперечное и фиг.1,б - продольное сечение двигателя, фиг.2,а - поперечное и фиг.2,б - продольное сечение компрессора, фиг.3 - продольное сечение устройства (схема соединений двигателя и компрессора), фиг.4 - поперечное сечение двигателя с уточнениями.
На фиг.1,а показано поперечное сечение двигателя, на фиг.1,б показано продольное сечение двигателя, где в торообразном корпусе роторно-реактивного двигателя показано, как расположены, соответственно: три (в рассматриваемом примере) ориентированных через 120 градусов впускных канала, три выпускных сопла, три форсунки и три запальные системы (искровые разрядники), ориентированные также через 120 градусов. Показано, как внутри корпуса двигателя расположен горообразный ротор с четырьмя равноудаленными друг от друга фигурными полостями, которые выполнены на боковой поверхности ротора и ориентированы по окружности ротора. Показано, как ротор жестко соединен с диском, который жестко соединен с валом двигателя, и как ротор сочленен с внутренней поверхностью корпуса компрессионными кольцами, установленными радиально на роторе. На диске выполнены отверстия для обеспечения возможности установки компрессионных колец.
На фиг.2,а показано поперечное сечение компрессора, на фиг.2,б показано продольное сечение компрессора, где показано, как в торообразном пустотелом корпусе компрессора, установленном с наружной стороны корпуса двигателя, расположен поршень-ротор, поверхность которого скошена по эллипсной траектории, который жестко соединен с диском, который жестко соединен с валом компрессора. Показано, как со скошенной поверхностью поршня-ротора сочленены две подпружиненные заслонки, расположенные радиально между двумя парами впускных и выпускных отверстий. Скошенная поверхность поршня-ротора параллельна валу. Показано, как тор поршня-ротора компрессионно сочленен с внутренней поверхностью тора корпуса компрессора за счет компрессионных колец, установленных радиально на торе поршня-ротора в местах, где радиальное сечение тора поршня-ротора является кругом. На диске выполнены отверстия для обеспечения возможности установки компрессионных колец.
На фиг.3 показана схема соединения двигателя и компрессора, в которой показано, как впускные отверстия компрессора присоединены к системе подготовки воздуха, как выпускные отверстия компрессора через клапаны присоединены к резервуару со сжатым воздухом и как резервуар соединен через клапаны с впускными каналами двигателя.
На фиг.4 показаны выпускные сопла расширяющимися от внутренней поверхности корпуса к внешней. На фиг.4 полости на роторе двигателя показаны фигурными, т.е. поверхности полостей, расположенные радиально в плоскости, проходящей через ось ротора, выполнены выгнутыми по направлению вращения ротора, а поверхности, расположенные под прямым углом к радиальным, выполнены выпуклыми от оси ротора.
В торообразном корпусе (1) (нумерация на всех чертежах сквозная) роторно-реактивного двигателя (фиг.1,а и фиг.1,б) расположены соответственно три (в рассматриваемом примере) ориентированных через 120 градусов впускных канала (2, 3, 4), три тангенциально направленных выпускных сопла (5, 6, 7), три форсунки (8, 9, 10) и три запальные системы (искровые разрядники) (11, 12, 13), ориентированные также через 120 градусов.
Внутри корпуса (1) расположен торообразный ротор (14) с четырьмя равноудаленными друг от друга фигурными полостями (15, 16, 17, 18), которые выполнены на боковой поверхности ротора (14) и ориентированы по окружности ротора. Ротор (14) жестко соединен с диском (19), который жестко соединен с валом (20) двигателя. Ротор (14) сочленен с внутренней поверхностью корпуса компрессионными кольцами (21, 22, 23, 24), установленными радиально на роторе. На диске (19) выполнены отверстия (46) для обеспечения возможности установки компрессионных колец.
С наружной стороны корпуса (1) установлен торообразный корпус (25) (фиг.2,а и фиг.2,б) компрессора с поршнем-ротором (26), поверхность которого скошена по эллипсной траектории. Ротор (26) жестко соединен с диском (27), который жестко соединен с валом (28) компрессора. Вал компрессора (28) может быть жестко соединен с валом (20) двигателя на одной оси или может быть соединен через передачу. Скошенная поверхность поршня-ротора (26) параллельна валу (20, 28). Со скошенной поверхностью поршня-ротора сочленены две подпружиненные заслонки (29, 30), расположенные радиально между двумя парами впускных (31, 32) и выпускных (33, 34) отверстий. Top поршня-ротора компрессионно сочленен с внутренней поверхностью тора корпуса за счет компрессионных колец (35, 36, 37, 38), установленных радиально на торе поршня-ротора в местах, где радиальное сечение тора поршня-ротора является кругом. На диске (27) выполнены отверстия (46) для обеспечения возможности установки компрессионных колец.
Впускные отверстия (31, 32) компрессора присоединены к системе подготовки воздуха (39) (фиг.3). Выпускные отверстия (33, 34) через клапаны (40, 41) присоединены к резервуару (42) со сжатым воздухом. Резервуар (42) соединен через клапаны (43, 44, 45) с впускными каналами (2, 3, 4) двигателя.
Выпускные сопла (5, 6, 7) на фиг.4 показаны расширяющимися от внутренней поверхности корпуса (1) к внешней. На фиг.4 полости на роторе двигателя показаны фигурными, т.е. поверхности полостей, расположенные радиально в плоскости, проходящей через ось ротора, выполнены выгнутыми по направлению вращения ротора, а поверхности, расположенные под прямым углом к радиальным, выполнены выпуклыми от оси ротора.
Двигатель работает следующим образом. При вращении ротора-поршня (26) происходит всасывание воздуха из системы подготовки воздуха (39), через впускные отверстия (31, 32), в камеры всасывания компрессора, образованные внешней поверхностью корпуса (25), поверхностью поршня-ротора (26), заслонками (29, 30) и компрессионными кольцами (35, 36, 37, 38). Одновременно происходит вытеснение воздуха через выпускные отверстия (33, 34), клапаны (40, 41) в резервуар (42) из камер сжатия, образованных внешней поверхностью корпуса (25), поверхностью поршня-ротора (26), заслонками (29, 30) и компрессионными кольцами (35, 36, 37, 38).
При вращении ротора двигателя (14), как только полость (например, 15) попадает в зону расположения впускного канала (например, 2), открывается клапан (43), и свежий воздушный заряд с необходимой степенью сжатия и температурой поступает в полость (15). При дальнейшем вращении ротора (14) полость (15) попадает в зону форсунки (8), где производится впрыск топлива. Необходимая степень сжатия и температура воздушного заряда сохраняется неизменной в виду того, что компрессионные кольца (21 и 24) плотно прилегают к внутренней поверхности корпуса (1), образуя герметичную камеру сгорания постоянного объема. В процессе впрыска топлива за счет самовоспламенения или под действием искры от искрового разрядника (11) в полости (15) инициируется детонационное горение. Ротор (14) продолжает вращение, полость (15) подходит к выпускному соплу (5), и через него происходит истечение тангенциально направленного газового потока, возникшего при детонационном расширении продуктов горения. Создается вращающий момент, действующий на ротор (14), на диск (19) и на вал (20). При дальнейшем вращении ротора наступает этап, когда полость (15) соединена и с соплом (5), и со следующим впускным каналом (3). В это время происходит продувка полости (15) через сопло (5) воздухом из канала (3) путем кратковременного открытия клапана (44), при этом удаляются остаточные отработанные газы.
Описанный процесс циклически повторяется со всеми остальными полостями (16, 17, 18) при вращении ротора (14). За один оборот ротора (14) рабочий процесс совершается трижды в каждой их фигурных полостей (15, 16, 17, 18). То есть за один оборот ротора совершается 12 рабочих циклов, сопровождающихся выхлопами отработанных газов, создающих импульсы вращения ротора и вала.
Предлагаемый роторно-реактивный двигатель имеет полностью статически и динамически сбалансированные вращающиеся части, поэтому работает без вибрации при любых скоростях вращения. Благодаря этому конструкция двигателя имеет удельные показатели мощности (по размеру, по весу), превосходящие соответствующие показатели двигателей аналогичного типа. Такая конструкция позволяет использовать новые конструкционные материалы и технологии, например керамику и порошковую металлургию.