Роторный детонационный двигатель
ROTARY DETONATION ENGINE

Изобретение относится к области двигателестроения и может найти применение в транспортной и других отраслях техники.
Уровень техники
Известен роторно-поршневой двигатель, содержащий ступень сжатия, имеющую вращающийся рабочий поршень для сжатия рабочего газа, и ступень расширения, имеющую вращающийся рабочий поршень для расширения рабочего газа, а также камеру воспламенения для воспламенения и сжигания рабочего газа, причем, камера воспламенения выполнена с возможностью сообщения со ступенью сжатия и/или со ступенью расширения в регулируемом диапазоне угла поворота соответствующего рабочего поршня (см. Патент РФ №2565486, кл. F02B 53/08, F01C 1/20, F01C 20/14, 2011 г.).
Устройство относится к роторно-поршневому двигателю, при этом вращающийся рабочий поршень теряет часть рабочего газа при передаче в камеру воспламеняя, что приводит к снижению скорости вращения роторов, и в целом к снижению мощности устройства.
Известен двухроторный двигатель с отделенным процессом сгорания, являющийся двигателем роторного типа и состоящий из пары двухкамерных блоков в картере в форме восьмерки с камерами «впуск-сжатие» и «рабочий ход-выпуск», замкнутые переменные объемы в которых образованы статором и двумя круговыми роторами с расположенными на них и сопрягаемыми между собой выступающими секторами, которые выполняют роль поршней, а также механизма газораспределения, причем рабочий цикл двигателя состоит из пяти тактов за один оборот рабочего ротора: всасывание, сжатие, сгорание, расширение и выпуск, где наличие вынесенных камер сгорание обеспечивает реализацию «отделенного процесса сгорания», здесь используется эффект детонации топлива в замкнутом объеме, со сгоранием топлива даже при очень бедной рабочей смеси, а горячие газы уже сгоревшего в камерах сгорания топлива поступают в камеру «рабочий ход», где происходит впрыск воды и использование водяного пара для утилизации температуры стенок рабочего объема и охлаждения рабочих газов, также объем камеры «впуск-сжатие» двигателя выполняется меньше объема «рабочий ход-выпуск» для получения оптимального соотношения объема воздушного заряда и объема полезного расширения полученных рабочих газов и водяного пара (см. Патент РФ №2609272, кл. F02B 32/08, 2014 г.).
К недостаткам относятся сложность конструкции за счет наличия вынесенных камер сгорания, при этом охлаждения за счет подачи воды недостаточно, так как при детонационном горении температура может достигать 3500-4000°С, что приведет не только к снижению мощности, но и к аварийной ситуации.
Известен двигатель внутреннего сгорания роторного типа, имеющий неподвижный полый корпус для размещения в нем имеющего возможность вращаться ротора, оснащенного лопастями, с устроенными по периметру корпуса цилиндрическими полыми гнездами для размещения в них имеющих возможность вращаться запорных барабанов с выточками для прохождения лопастей ротора, ограниченный двумя плоскими боковыми крышками, имеющий на поверхностях корпуса или боковых крышек отверстия для выпуска отработавших газов, подачи топливной смеси и свечей зажигания, при этом объемное взаиморасположение поверхностей выше обозначенного ротора, его лопастей, запорных барабанов, стенок корпуса и боковых крышек создает герметично запираемые рабочие камеры переменного объема, выполняющие функции камер впуска, камер сжатия, камер воспламенения и расширения, камер выпуска, и имеющий синхронизирующий привод от вала ротора на валы запорных барабанов, причем, воспламенение топливной смеси происходит в камерах сгорания, временно изолированных дисковым или приводимым в движение с его помощью клапанным механизмом газораспределения, состоит из сегментов, разделенных между собой параллельными друг другу внутренними боковыми крышками, имеющими отверстия для размещения валов ротора и запорных барабанов, а также дополнительные отверстия для перепуска между сегментами сжатой топливной смеси и горящих рабочих газов, при этом: в первом виде сегментов происходят процессы впуска и сжатия топливной смеси, расширения и выпуска горящих рабочих газов, конструкция сегмента представляет собой неподвижный полый корпус для размещения в нем имеющего возможность вращаться ротора, оснащенного лопастями, с устроенными по периметру корпуса цилиндрическими полыми гнездами для размещения в них имеющих возможность вращаться запорных барабанов с выточками для прохождения лопастей ротора, ограниченный двумя плоскими боковыми крышками, на поверхностях корпуса или боковых крышек имеются отверстия для выпуска отработавших газов, подачи топливной смеси и дополнительные отверстия для перепуска между сегментами сжатой топливной смеси и горящих рабочих газов, - второй вид сегментов выполняет функцию газораспределения и отвечает за своевременный перепуск сжатой топливной смеси из сегментов первого вида в сегменты третьего вида - сегменты камер сгорания и горящих рабочих газов из сегментов третьего вида в сегменты первого вида с помощью имеющего возможность вращаться внутри него на роторном валу и с одинаковой с ротором скоростью, выполняющего функцию газораспределительного механизма диска, имеющего прорези в форме дуг, радиусы которых совпадают с радиусами, измеренными от оси ротора до отверстий перепуска сжатой топливной смеси и отверстий перепуска горящих рабочих газов, а угловые длины определяются исходя из необходимых периодов перепуска в обоих направлениях, третий вид сегментов предназначен для размещения камер сгорания любого необходимого, исходя из производительности сегментов первого вида, объема, и помимо отверстий перепуска имеет отверстия для размещения свечей зажигания или топливных форсунок, или одновременного размещения топливных форсунок и свечей зажигания (см. Патент РФ №2491432, кл. F02B 53/06, F01C 1/20, 2011 г.).
Двигатель характеризуется сложностью конструкции, воспламенение топливной смеси происходит в камерах сгорания, имеющий три вида сегментов, при этом горящие рабочие газы поступают из одних сегментов в другие, при помощи, например, дисков, что снижает температуру горения, при этом объем камеры сгорания невелик, и не обеспечивает полного сгорания топливной смеси, что снижает мощность двигателя и характеризуется низким КПД.
Известен роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус двигателя с являющимся его частью рабочим кольцом, имеющим цилиндрические внутреннюю и внешнюю поверхности, рабочими камерами, образованными рабочими полостями, в которых параллельно на валу двигателя установлены вращающийся ротор компрессора, выполненный в виде диска, в пазу которого установлена подпружиненная рабочая заслонка, и вращающийся ротор турбины, выполненный в виде стакана с жестко закрепленным на валу днищем, имеющего утолщение в направлении оси вращения вала двигателя шириной, равной ширине ротора компрессора, на внутренней поверхности стакана над камерой сгорания, которая расположена в наиболее широкой части рабочего кольца с возможностью соединения с рабочими полостями компрессора и турбины через впускной и выпускной каналы соответственно, внешней и внутренней боковыми щеками, между которыми внутри рабочего кольца встроен ротор компрессора, газораспределительный механизм, взаимодействующий с камерой сгорания и встроенный в рабочее кольцо, свечу зажигания, установленную в камере сгорания, при этом ось цилиндрической внутренней поверхности рабочего кольца смещена относительно оси вращения вала двигателя на величину, не позволяющую этим поверхностям пересекаться, отличающийся тем, что ротор компрессора выполнен с утолщением по наружному диаметру с длиной окружности, равной половине длины окружности ротора компрессора с плавными переходами от одного наружного диаметра к другому наружному диаметру, причем больший наружный диаметр ротора компрессора имеет размер, не позволяющий ротору компрессора соприкасаться с внутренней поверхностью рабочего кольца, ротор турбины выполнен со ступенчатым утолщением по внутреннему диаметру с длиной окружности ступени, равной половине длины окружности ротора турбины с плавными переходами от одного внутреннего диаметра к другому внутреннему диаметру, причем меньший внутренний диаметр ротора турбины имеет размер, не позволяющий ротору турбины соприкасаться с наружной поверхностью рабочего кольца, газораспределительный механизм образован впускным и выпускным клапанами, выполненными в виде Г-образных подпружиненных пластин, встроенных в рабочее кольцо вблизи камеры сгорания, при этом впускной клапан, обращенный в сторону ротора компрессора, расположен впереди камеры сгорания по направлению вращения вала двигателя с возможностью возвратно-поступательного перемещения в направляющем пазу, выполненном в рабочем кольце, плотного прижатия своим основанием, острие которого направлено навстречу направлению вращения ротора компрессора, к наружной поверхности ротора компрессора, и расположения этого основания, входящим при закрытии впускного канала за счет перемещения впускного клапана утолщением ротора компрессора в углубление в рабочем кольце, а выпускной клапан, обращенный в сторону ротора турбины, расположен позади камеры сгорания по направлению вращения вала двигателя с возможностью возвратно-поступательного перемещения в направляющем пазу, выполненном в рабочем кольце, плотного прижатия своим основанием, острие которого направлено по направлению вращения ротора турбины, к внутренней поверхности ротора турбины, и расположения этого основания, входящим при закрытии выпускного канала за счет перемещения выпускного клапана утолщением ротора турбины в углубление в рабочем кольце, а камера сгорания выполнена обособленной с возможностью отъединения от рабочих полостей впускным и выпускным клапанами (см. Патент РФ №2647751, F02B 53/08, F01C 1/344, F01C 1/356, 2016 г.).
Устройство характеризуется сложностью конструкции, в том числе, наличием деталей, совершающих возвратно-поступательное движение, отсутствием детонационного пуска, ввиду регулируемого снижения работы двигателя в интервале 9-15 ат., за счет чего происходит снижение мощности и снижается КПД.
Известен роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с объемом цилиндрической формы, ограниченной с торцов боковыми крышками, установленный в объеме корпуса полый ротор, выполненный с радиальной лопастью, ориентированной вдоль его оси вращения, совпадающей с продольной осью корпуса, и кольцевыми ребордами, которые делят внутренний объем корпуса на секцию горючей смеси, разделенную радиальной лопастью ротора и разделительной пластиной на объем всасывания и сжатия, и рабочую секцию, разделенную радиальной лопастью и разделительной пластиной на объем расширения и объем выпуска, камеру сжатой горючей смеси и камеру сгорания, расположенные вне объема корпуса и сообщающиеся посредством перепускного устройства, впускной и выпускной каналы, причем, перепускное устройство выполнено управляемым так, что перепускное устройство открывается, когда радиальная лопасть еще не вышла за пределы устья выходного канала, что обеспечивает продувку горючей смесью камеры сгорания, а закрытие перепускного устройства происходит, когда радиальная лопасть выходит за пределы устья выходного канала (см. Патент РФ №2527808, кл. F02B 53/08, F02B 53/06, F01C 1/356, 2012 г.).
Устройство характеризуется сложностью конструкции, камера сгорания находится вне объема корпуса, и сообщается с последним посредством перепускного устройства, при этом объем камеры сгорания небольшой, поэтому при сгорания топливно-воздушной смеси не обеспечивается достаточного давления на роторы, что влечет за собой невысокую мощность двигателя и невысокий КПД.
Наиболее близким, взятым за прототип, является роторный двигателя внутреннего сгорания, содержащий входную и рабочую секции, в которых находятся вращающиеся роторы с рабочими лопатками, разделенные средней стенкой, причем, средняя стенка между секциями выполнена в виде секции, в которой выполнена камера с детонационным сгоранием, запирающаяся на время полного сгорания топливовоздушной смеси тремя клапанами, при этом один клапан предназначен для впуска топливовоздушной смеси из входной секции в камеру сгорания, второй клапан - для выпуска рабочего тела в рабочую секцию, а третий клапан - для стравливания газов с остаточным давлением из камеры сгорания в атмосферу перед впуском в камеру сгорания очередной порции топливовоздушной смеси (см. Патент РФ №2685175, F02B 53/08, 2018 г., прототип).
Недостатком данного двигателя являются наличие кроме камеры сгорания, рабочей камеры для впрыска воды, при этом в первой секции происходит сгорание топливно-воздушной смеси, во вторую впрыскивают воду, которая испаряется, что приводит к дисбалансу давления в устройстве, и влечет за собой вибрацию и снижение мощности.
Из представленного уровня техники, следует, что двигатели характеризуются сложностью конструкции, в том числе имеют камеры сгорания, как внутри корпуса, так и вынесенные вовне, при этом часть устройств снабжена подачей охлаждающей жидкости - воды, которая при превращении ее в пар уносит часть полезного объема продуктов горения топлива, причем, при выполнения камеры сгорания вне корпуса двигателя часть полезного объема продуктов горения теряется за счет прохождения через перепускные устройства, что снижает мощность двигателей и их КПД.
Настоящим изобретением решается задача упрощения конструкции двигателя.
Технической задачей заявляемого изобретения является создание двигателя с повышенной мощностью и коэффициентом полезного действия за счет эффективного сжигания обедненной топливной смеси с использованием детонационного процесса.
Техническая задача в заявляемом изобретении решается тем, что подаваемая топливная смесь обедненная, а значит в ней присутствует избыток кислорода, что в свою очередь приводит к 100% сгоранию смеси при детонации и получению достаточной кинетической энергии для разгона лопастей роторов в первой секции. Возникающий при этом крутящий момент передается валам, которые начинают вращаться. Подача топливной смеси такого же состава во вторую и последующие секции, складывает возникающие кинетические энергии в каждой секции, что и способствует быстрому набору заданной мощности и увеличению КПД. Увеличение мощности двигателя достигается с помощью небольших по объему камер - «плавающих» камер сгорания - образованных лопастями роторов и корпусом. Создаваемый рабочий ход лопастей ротора в разы больше, например, длины рабочего хода поршневого двигателя, при этом объем камеры сгорания увеличивается к концу фазы сгорания в 6-8 раз, так как лопасти роторов в каждой из секций смешены относительно предыдущей на 90°. В заявляемом устройстве движение роторов и валов происходит в противоположных направлениях что способствует плавному ходу и гашению вибрации Равнозубые шестерни предназначены для придания одинаковой угловой скорости вращению валов. Отгибание роторов в каждой секции происходит с минимальным зазором между ними, что приводит к возникающей минимальной силе трения и не требует смазки. Высокие динамические характеристики устройства достигаются без склонности устройства к перегреву, так как в нем предусмотрена полость для охлаждающего агента, который охлаждает каждую секцию. Устойчивость устройству и возможность его использования его как в вертикальном, так и в горизонтальном положениях придает ему наличие двух параллельных валов жестко закрепленных в торцах и в середине устройства посредством подшипников.
Изобретение поясняется чертежом.
На фиг. 1 изображено устройство вид с боку.
На фиг. 2 - разрез по А-А.
На фиг. 3 изображено устройство вид сверху (разрез по В-В).
На фиг. 4 - съема расширения камеры сгорания в одной секции роторного детонационного двигателя при повороте роторов на 90°, где
1 - корпус, который имеет геометрическую форму двух пустотелых цилиндров, соединенных между собой со сближением их осей от 0,2 R до R. Корпус 1 выполнен из материала, выдерживающего сверхвысокие механические и температурные нагрузки, возникающие при детонационном сгорании.
2 - полость охлаждения,
3 - перегородки, которые делят корпус на секции,
4 - роторы,
5 - равнозубые шестерни,
6 - подшипники качения,
7-8 - рабочие валы, расположенные параллельно друг другу внутри корпуса вдоль его продольной оси, которые фиксированы подшипниками качения 6,
9 - впускные клапаны,
10 - выпускные клапаны,
11 - свечи зажигания.
Роторы 4 имеют в сечении сложную конфигурации в виде «запятой», оканчивающуюся лопастями, равными по длине внутреннему радиусу цилиндров корпуса 1. Ширина роторов 4 равна длине секции.
Подшипники качения 6 размещены на валах 7, 8 в торцевых секциях и в средней части устройства.
Роторы 4 выполнены на валах 7 и 8 со смещением относительно друг друга на один-три зуба равнозубой шестерни 5 попарно в каждой из секций. Объемы между лопастями роторов 4 в секциях образуют камеры сгорания.
Впускные клапаны 9 и выпускные клапаны 10 расположены в нижней и в верхней частях перегородок 3.
Устройство работает следующим образом.
Перед началом работы роторы 4 в первой секции расположены лопастями вниз напротив впускного клапана 9. С помощью, например, стартера (на чертеже не обозначен) валы 7, 8 раскручиваются до 100 об./мин. Через впускной клапан 9 в первую секцию подают обедненную топливную смесь, которую поджигают свечей зажигания 11. В образованной лопастями роторов 4 камере сгорания происходит детонационное сгорание обедненной топливной смеси. Выделившаяся при этом энергия образовавшихся газов заставляет вращаться роторы 4 с равной угловой скоростью в противоположных направлениях, перекрывая верхние части роторов с минимальным зазором. Векторы приложения силы возникающей кинетической энергии сгоревших газов равновеликие и с большей силой воздействуют на площади лопастей роторов «а» и «в», обращенных к образовавшейся камере сгорания. Векторы приложения силы способствуют разгонному движению роторов 4. Возникающие крутящие моменты передаются на валы 7, 8, которые вращаются с заданной скоростью, в противоположных направлениях на равное количество оборотов и возрастающей по величине, но одинаковой уголовной скоростью и равным ускорением. Так как валы 7, 8 выполнены массивными, они закреплены не только в торцах устройства, но и в его средней части, посредством подшипников 6, то отсутствует возможность прогиба валов при их вращении.
Во второй и последующих образующихся камерах сгорания процессы впрыска и детонационного горения повторяются. Но поскольку следующая пара лопастей роторов 4 на валах 7, 8 смещена относительно первой секции, например, на 90°, то камеры сгорания, образованные роторами во второй и последующих секциях, так же смещены относительно предыдущих на тот же угол. А, следовательно, направления векторов приложения силы также будет смещены и суммироваться, что будет приводить к увеличению крутящих моментов валов во всех последующих секциях.
Процесс повторятся до достижения заданной мощности роторного детонационного двигателя или необходимой скорости оборотов валов в единицу времени. Снимаемая мощность с валов постоянна, так как оба вала вращаются с одинаковой угловой скоростью.
При этом набор скорости вращения роторов регулируется количеством и качественным составом подаваемой топливно-воздушной смеси, а также заданным углом смещения роторов в каждой из секций.