СФЕРИЧЕСКИЙ РОТОРНО-ВОЛНОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ С УПРАВЛЯЕМЫМИ ПАРАМЕТРАМИ
SPHERICAL ROTARY-WAVE ENGINE WITH CONTROLLED PARAMETERS

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.