МНОГОКАМЕРНЫЙ ТУРБО-РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
MULTI-CHAMBER TURBINE-ROTOR ENGINE

Изобретение относится к машиностроению.
Конструкция многокамерного турбо-роторного двигателя внутреннего сгорания позволяет получить новый тип роторного двигателя внутреннего сгорания, который в основном предназначен для авиации, но также может быть применен и для привода техники и механизмов с высокой скоростью вращения.
Ближайшим аналогом из просмотренных в базах данных и специализированной литературе можно считать «Роторную объемную машину Вихрова» RU 2278980 C1, где используются эллипсоидные формы и спиральные каналы для получения переменных рабочих объемов. Представленный двигатель отличается от него принципом организации вращения крылаток и ротора и разделением переменных рабочих объемов на камеры «впуск - сжатие», «рабочий ход - выпуск» и камеру сгорания. Также конструкция механизма позволяет получить комбинацию работы турбинных лопаток со способом образования замкнутых переменных объемов (по образу поршневых двигателей), так как созданный по данному принципу механизм представляет собой Новый тип роторного двигателя внутреннего сгорания - турбо-роторный. Он содержит новое решение динамического процесса и построения кинематической схемы роторного двигателя внутреннего сгорания. Известны такие типы двигателей, как роторные и газотурбинные. Представленный двигатель содержит признаки обеих этих типов ДВС.
Задача изобретения - построение новой кинематической схемы двигателя внутреннего сгорания; простота конструкции и малое количество комплектующих деталей двигателя; исключение деталей с возвратно-поступательным, колебательным и эксцентричным движением; повышение кпд двигателя; решение задачи устранения трения в сопряженных деталях двигателя и получения высокой скорости вращения, сохраняя при этом принцип получения переменных замкнутых объемов (подобно поршневым ДВС).
Это достигается конструкцией нового двигателя, где
- энергия расширяющихся газов действует на поршни-лопасти поворотной вспомогательной крылатки, расположенной непосредственно на роторе двигателя, и создает крутящий момент, приложенный непосредственно к ротору и выходному валу двигателя;
- в силовой кинематической схеме использована комбинация вращения вспомогательных крылаток с поршнями-лопастями, расположенных на роторе двигателя и вращение самого ротора с образованием замкнутых переменных объемов в спиральном статоре двигателя (по образу поршневых двигателей).
- отсутствие нагрузок в плоскости вращения вспомогательной крылатки ротора согласно шагу спирали статора практически исключает трение между сопряженными движущимися деталями;
- использование разделительных дисков ротора позволяет сжимать рабочее тело и после воспламенения давать ему расширяться при следовании поршней-лопастей вспомогательной крылатки в одном направлении, а перепускные каналы нижнего разделительного диска в форме лопаток работают как лопатки газовой турбины;
- изготовление ротора с двумя встречными вспомогательными крылатками, обеспечивает работу поршней-лопастей с противоположных сторон ротора по одним и тем же спиральным каналам статора без применения возвратно-поступательных, кривошипных или эксцентриковых передач;
- установка с двух сторон статора впускных и выпускных импеллеров, а также крыльчаток компрессора с одной стороны ротора и турбины - с другой позволяет нагнетать воздушный заряд и утилизировать остаточное давление выхлопных газов.
Принцип конструкции механизма заключается в комбинации работы турбинных лопаток разделительного диска ротора и турбины выхлопных газов со способом образования замкнутых переменных объемов (по образу поршневых двигателей) в спиральных каналах статора двигателя.
Полученный двигатель (Фиг. 1) состоит из статора эллипсоидной формы (1) со спиральными каналами и ротора (2). На роторе установлены две сбалансированные вспомогательные крылатки (3), лопасти которых (4) выполняют функцию поршней, создающих замкнутые переменные объемы в спиральных каналах статора (5), образованных как тела вращения сопрягаемой дуги окружности поршня-лопасти вспомогательной крылатки, вращающейся вместе с ротором, а также совершающей вращение в перпендикулярной плоскости относительно вращения ротора.
Статор, корпус ротора и разделительные диски образуют в двигателе три камеры: «впуск - сжатие», «рабочий ход - выпуск» и камеру сгорания (8). Замкнутые переменные объемы в камерах образованы стенками ротора, спиральным каналом статора и поршнями-лопастями вспомогательной крылатки ротора. Вспомогательные крылатки ротора не требуют дополнительного привода, так как их лопатки движутся по спиральным каналам статора, а сами крылатки не имеют сопротивления в плоскости их вращения.
Разделительные диски ротора (9) служат для изолирования камер «впуск - сжатие» и «рабочий ход - выпуск» друг от друга и от камеры сгорания. Принцип их работы показан на ке Фиг. 7. Верхний разделительный диск выполнен сплошным, с двумя пазами с противоположных сторон, для прохождения поршней-лопастей и прохода сжимаемого воздуха в камеру сгорания, которая по объему выполнена больше размера поршня-лопасти, что позволяет перемещение заряда воздуха с передней стороны поршня-лопасти на обратную, при его прохождении через камеру сгорания. Нижний разделительный диск также имеет два паза с противоположных сторон для прохождения поршней-лопастей и два сектора с перепускными каналами в форме лопаток, которые работают как лопатки газовой турбины при прохождении через них расширяющихся рабочих газов, а также предотвращают прорыв газов в соседние спиральные каналы статора. С всасывающей стороны ротора в начале (по ходу вращения вспомогательных крылаток ротора) камеры «впуск - сжатие» на роторе находятся крылатки компрессора (10) для нагнетания воздуха.
Со стороны выхлопа в конце (по ходу вращения вспомогательных крылаток) камеры «рабочий ход - выпуск» на роторе находятся крылатки газовых турбин (11), взаимодействуя с которыми отработавшие газы, направленные спиральными каналами по касательной к внутреннему диаметру статора, создают дополнительный вращающий момент. Крылатки турбин утилизируют остаточную энергию выхлопных газов, а также выполняют роль глушителя двигателя, содержащего как минимум шесть и более камер сгорания и спиральных каналов в одном статоре.
Рабочим телом в двигателе используется топливно-воздушная смесь, получаемая путем впрыска форсункой (12) топлива в объем воздушного заряда, находящегося в камере сгорания, предварительно сжатого в камере «впуск - сжатие».
Рабочие циклы двигателя:
1. Поршень-лопасть вспомогательной крылатки ротора, проходя из ВТ (верхней точки) статора впускные окна и двигаясь согласованно с движением ротора по спиральному каналу статора далее, засасывает рабочую смесь в камеру «впуск».
2. Одновременно, фронтальная сторона поршня-лопасти вспомогательной крылатки ротора сжимает, поступивший ранее, заряд рабочей смеси в камере «сжатие» до стенки верхнего разделительного диска ротора и имеющей паз для прохождения поршня-лопасти вспомогательной крылатки.
3. При совмещении канала камеры сгорания и перепускного паза верхнего разделительного диска, заряд сжатого воздуха из камеры «сжатие» поступает в камеру сгорания, которая по объему выполнена больше размера поршня-лопасти, что позволяет перемещение заряда воздуха с передней стороны поршня-лопасти на обратную при его прохождении через камеру сгорания. Затем впрыскивается и воспламеняется (искрой свечи) топливо, и начинается процесс горения-расширения «рабочий ход». Расширяющиеся рабочие газы при этом проходят перепускные каналы нижнего разделительного диска в форме лопаток, которые работают как лопасти газовой турбины;
4. Одновременно фронтальная сторона поршня-лопасти вспомогательной крылатки ротора вытесняет отработавшие газы через крылатку газовой турбины, выполняющей также и роль глушителя, а после прохождения НТ (нижней точки) статора, поршень-лопасть затем по свободной дуге вспомогательной крылатки внутри корпуса ротора снова возвращается в ВТ статора.
Все циклы происходят за один оборот ротора, так как осуществляются в разных секторах спирально-кольцевых камер двигателя. В представленном варианте двигателя имеется восемь камер сгорания и спиральных каналов статора, где две противоположные камеры работают одновременно, а остальные попарно-последовательно.
Это позволяет сделать двигатель мощным, компактным, с высоким крутящим моментом, приложенным непосредственно к выходному валу двигателя без каких-либо дополнительных кинематических связей при его передаче.
На Фиг. 2 показан ротор (вид спереди) с разделительными дисками, двумя вспомогательными крылатками и поршнями-лопастями. Сверху на роторе располагается крылатка компрессора для нагнетания воздуха. Снизу на роторе устанавливаются крылатки газовых турбин, взаимодействуя с которыми отработавшие газы, направленные спиральными каналами по касательной к внутреннему диаметру статора, создают дополнительный вращающий момент.
На Фиг. 3 показан ротор (вид сбоку).
На Фиг. 4 показан ротор (вид сверху), где видно взаимное расположение вспомогательных крылаток относительно друг друга и корпуса ротора. Также здесь хорошо читаются перепускные каналы верхнего разделительного диска для прохождения сжимаемого воздуха в камеру сгорания.
Изготовление ротора с двумя встречными вспомогательными крылатками обеспечивает работу поршней-лопастей с противоположных сторон ротора по одним и тем же спиральным каналам статора без применения возвратно-поступательных, кривошипных или эксцентриковых передач.
На Фиг. 5 показан поперечный разрез ротора, где видно как установлены вспомогательные крылатки в корпусе ротора. Также здесь видно расположение секторов перепускных каналов нижнего разделительного диска.
Использование разделительных дисков ротора, позволяет сжимать рабочее тело и после воспламенения давать ему расширяться, при следовании поршней-лопастей вспомогательной крылатки в одном направлении, а перепускные каналы нижнего разделительного диска в форме лопаток работают как лопатки газовой турбины.
На Фиг. 6 показана нижняя крышка статора (вид сверху), где показано расположение восьми диагональных каналов статора, а также выпускных импеллеров, служащих как для направления выхлопных газов на лопатки турбины, так и для крепления подшипникового узла ротора.
Установка с двух сторон статора впускных и выпускных импеллеров, а также крыльчаток компрессора с одной стороны ротора и турбины - с другой позволяет нагнетать воздушный заряд и утилизировать остаточное давление выхлопных газов. Также газовая турбина выхлопных газов выполняет еще и роль глушителя.
Для производства деталей двигателя может использоваться стандартное промышленное оборудование, токарные, фрезерные и сверлильные станки, материалы и сплавы для деталей двигателя, применяемые в машиностроении. Для изготовления лопаток разделительного диска и крылатки турбины применимы жаропрочные сплавы для газовых турбин. Изготовление статора со спиральными каналами целесообразно литьем, с последующей чистовой обработкой шаблонными фрезами. Так как получение спиральных каналов как тел вращения сопрягаемой дуги окружности легче произвести в мягком материале, таком как полимер, глина или дерево, поверхность каналов, полученного литьем статора, необходимо подвергнуть цементации и поверхностной закалке подобно втулкам цилиндров поршневого двигателя.
Существенность отличий предлагаемого двигателя от других роторных или турбинных двигателей:
- присутствие признаков обоих типов двигателей,
- содержит новый принцип решения динамического процесса и построения кинематической схемы двигателя внутреннего сгорания,
- является новым типом двигателя внутреннего сгорания.
Плюсы конструкции:
- Отсутствие возвратно-поступательных кривошипных или эксцентриковых передач в кинематической схеме двигателя с однонаправленным, свободным вращением ротора.
- Наличие замкнутых переменных объемов подобно поршневым машинам.
- Высокий вращающий момент на выходном валу даже на малых оборотах.
- Отсутствие нагруженных сопряжений и трущихся деталей двигателя, вследствие чего возможность получения высоких скоростей вращения подобно турбине.
- Получение шести, восьми и более рабочих камер и камер сгорания в одном статоре и с одним ротором позволяет достигать высокой мощности двигателя при компактных габаритах.
Все вышеизложенное позволяет автору надеяться на широкое применение нового типа двигателя, такого как многокамерный турбо-роторный двигатель в авиации, промышленности и транспорте.