ДВИГАТЕЛЬ

Предполагаемое изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в качестве силовой установки на воздушных, водных или сухопутных транспортных средствах.
Известен газотурбинный двигатель, работающий по разомкнутой схеме с внутренним горением, состоящий из турбины, камеры сгорания и компрессора, расположенных на одном валу. Воздух для горения засасывается компрессором, где сжимается и направляется в камеру сгорания, в которой при постоянном давлении (P=const) сжигается топливо. Расчетный КПД описанной установки при температуре газа перед турбиной 725°С равен 21% (см. Матвеев Г.А. Теплотехника. М. Высшая школа, 1981, с.358).
Недостатком данного двигателя является невысокий КПД. Кроме этого, в диапазоне мощностей от 1000 кВт и менее газотурбинные двигатели значительно уступают по экономичности поршневым двигателям внутреннего сгорания. Это связывается с большими потерями рабочего тела через неплотности газовых стыков лопаточных машин, что особенно заметно при небольших частотах вращения и малом диаметре ротора турбины.
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому изобретению является роторный двигатель объемного типа, работающий по газотурбинному циклу с подводом теплоты при постоянном объеме (v=const), содержащий корпус с впускным и выпускным патрубками, эксцентрично установленный в нем ротор с лопатками, делящими компрессорный и расширительный отсеки на несколько изолированных объемов, вынесенную камеру сгорания с форсункой, при этом камера сгорания связана с проточной
частью отсеков соединительными клапанами (RU, патент 2123123, МПК F 02 В 53/08, 1998).
Недостатком данного двигателя является его неэкономичность. Двигатель объемного типа для сжатия и расширения рабочего тела обладает большими механическими потерями и с увеличением оборотов такие потери будут возрастать. Подвижные лопатки в расширительной части двигателя работают в условиях значительной теплонапряженности. Смазка пар трения при высоких окружающих температурах приводит к быстрому закоксовыванию сопрягаемых подвижных элементов ротора. Именно этим и объясняется отсутствие работоспособных конструкций двигателей, работающих по газотурбинному циклу с подводом теплоты в цикле как при постоянном объеме, так и при постоянном давлении.
Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а также обеспечение положительных свойств газотурбинных и поршневых машин в одном силовом агрегате.
Данная задача решается за счет того, что двигатель, содержащий два ротора, установленных внутри разделенного поперечными перегородками корпуса, включающего впускное и выпускное окна, камеру сгорания, компрессорный и расширительный отсеки, согласно изобретению, внутренняя поверхность корпуса выполнена в виде двух параллельных пересекающихся цилиндров, внутри которых на параллельных валах между поперечными перегородками имеются роторы, выполненные в виде некруглых колес, катящихся друг по другу, причем для синхронизации вращения этих роторов валы связаны между собой через некруглые зубчатые колеса, причем их делительный контур совпадает с образующей поверхности роторов, а стенки камеры сгорания выполнены из керамики и в них вмонтированы электроды, на которые подается электрический потенциал.
Поскольку каждая пара сопряженных роторов работает по сути дела как шестеренный насос с двухзубыми шестернями, то перемещение рабочего
тела идет только в одном направлении и достигаемое давление после каждой ступени не зависит ни от разовой порции перемещаемого рабочего тела, ни от объемов промежуточных между ступенями компрессора или расширительной части двигателя каналов и автоматически устанавливается обратно пропорционально рабочим объемам соседних ступеней, т.е. "мертвых" объемов как таковых не существует, а для снижения гидравлического сопротивления каналов их сечение можно брать любым, исходя из конструктивных соображений и для снижения термодинамических потерь их можно теплоизолировать.
Вследствие отсутствия в силовых элементах двигателя трения скольжения отпадает необходимость в смазке, а механический КПД такого двигателя будет максимальным, т.к. в создании механического сопротивления участвует только трение качения в зубчатом зацеплении, опорных подшипниках и между роторами, где сила прижатия может быть сведена к нулю.
Создание в камере сгорания электростатического или высокочастотного электромагнитного поля значительно улучшает воспламенение и горение топливной смеси в широком диапазоне соотношений воздуха и топлива, что позволяет применять на одном двигателе самые различные виды жидкого или газообразного топлива, так что введение в боковые стенки камеры сгорания электродов для создания внутри нее электростатического или высокочастотного электромагнитного поля требует включения их в перечень отличительных признаков, обеспечивающих повышение качества работы двигателя.
В известных в науке и технике решениях (в объеме проведенного поиска) указанные отличительные признаки не были обнаружены, что позволяет утверждать, что изобретение соответствует критериям новизны изобретательского уровня.
Турбовинтовой двигатель поясняется чертежом:
где фиг.1 изображен продольный разрез двигателя; на фиг.2 - сечение А-А; на фиг.3 - сечение Б-Б; на фиг.4 - сечение В-В; на фиг.5 - сечение Г-Г; на фиг.6 изображено то же сечение Г-Г после того, как валы повернулись на 90°.
Турбопоршневой двигатель содержит корпус 1, внутри которого на выходном валу 2 и вспомогательном валу 3, находящихся в зацеплении через некруглые зубчатые колеса 4 находятся роторы 5, разделенные между собой перегородками 6, образующими внутри корпуса 1 замкнутые объемы, являющиеся ступенями компрессора (слева от сеч. В-В) или расширительной части (справа от сеч. В-В), между которыми находится распределительное устройство 7, а сами ступени соединены между собой каналами 8. В распределительном устройстве 7 имеются окна 9, а в перегородках 6 соответствующие окна 10. Между компрессором и расширительной частью находится камера сгорания 11 с запальной свечой или форсункой 12, а в перегородках 6, образующих ее боковые стенки, вмонтированы электроды 13.
Работа двигателя осуществляется следующим образом (см. фиг.3). При вращении выходного вала 2 и соответственно роторов 5 воздух или топливная смесь через впускное отверстие всасывается в первую ступень компрессора и отдельными порциями, отсекаемыми вершинами больших осей роторов 5, перемещается через канал 8 во входное отверстие второй ступени компрессора, из которой эти порции перемещаются в третью ступень и т.д. Поскольку наружная поверхность всех роторов образована делительным контуром зубчатого зацепления, общего для всех роторов, т.е. одинаковая у всех роторов, то геометрическая степень сжатия или расширения рабочего тела обратно пропорциональна размерам этих роторов, т.е. ступеней вдоль оси двигателя.
Таким образом в компрессоре происходит последовательное сжатие воздуха или топливной смеси до расчетного давления и накопление его в
буферном объеме, каковым может быть объем канала и полостей перед распределителем 7. При совпадении окон 9 в распределителе 7 и окон 10 в прилегающих к нему боковых перегородках 6 происходит перепуск воздуха или топливной смеси из буферного объема в камеру сгорания 11 и после закрытия перепускных окон воспламенение топливной смеси запальной свечой или форсункой 12. В камере сгорания в этот момент создается электростатическое или высокочастотное электромагнитное поле путем подачи на электроды 13 соответствующего электрического потенциала. Сгорание топлива происходит в замкнутом объеме, давление в камере сгорания повышается, ротор на валу 3 находится в равновесном положении, а ротор на выходном валу 2 создает крутящий момент, направленный против часовой стрелки (см. фиг.5). После поворота валов на 90° (см. фиг.6) ситуация меняется и уже ротор на валу 2 находится в равновесии, а ротор на валу 3 через зубчатое зацепление создает на выходном валу крутящий момент, направленный опять же против часовой стрелки, т.е. вращающий момент всегда направлен в одну сторону. Вследствие того, что степень расширения в одной ступени недостаточна для полного срабатывания давления, расширительная часть двигателя состоит из нескольких ступеней.
Таким образом полный цикл, осуществляемый двигателем, состоит из отдельных этапов: порционного всасывания, порционного перемещения, порционного сжатия, порционного перепуска из компрессора в камеру сгорания, сгорания топливной смеси в камере сгорания и далее - порционного расширения сгоревших газов с последующим их выпуском в выпускное окно. Все это происходит одновременно и непрерывно во всех ступенях. В двигателе реализуется цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (v=const), наиболее экономичный в сравнении с другими термодинамическими циклами.
Рассмотренный тип двигателя, в основе которого лежит зацепление некруглых зубчатых колес допускает возможность получения высокой
степени сжатия (ε) до ста и более единиц в одном агрегате и в отличие от прототипа не имеет "мертвого" пространства. По ходу движения рабочего тела, особенно в области высоких температур, гарантировано отсутствие масла в проточной части двигателя, приводящее к закоксовыванию его рабочих элементов, а учитывая возможность отбора части расхода воздуха на газостатические подшипники опор валов и охлаждение горячих зон, масло или другие жидкости можно вообще исключить. То, что основные нагруженные детали работают на сжатие, очень благоприятно для использования керамических материалов, что повысит термодинамический и общий КПД двигателя, а то, что схема допускает полное расширение рабочего тела, позволяет использовать его без глушителя шума.