Роторная машина объемного типа
VOLUMETRIC TYPE ROTARY MACHINE

Изобретение относится к области энергетического и транспортного машиностроения и может быть использовано для привода потребителей механической энергии, а также в качестве составной части двигателя внутреннего сгорания, в том числе и газотурбинных двигателей (ГТД) сложного термодинамического цикла различного назначения.
В современном роторной машине - приводе, должен быть предусмотрен подогрев рабочего тела, что является актуальным для безредукторных прямых приводов, требующих больших крутящих моментов при малой частоте вращения. Машина в зависимости от исполнения, может применяться для первоначальной раскрутки роторов ГТД при запуске, приводов воздушных винтов авиационных силовых установок и судовых гребных винтов, а также для энергетических установок локомотивов, в индустриальной энергетике и др. Такие машины относятся к классу роторных машин объемного типа с применением жидких и газообразных рабочих тел с повышенным давлением, в том числе газов, паров, топливовоздушных смесей и др.
Известна роторная машина, содержащая трехсекционный корпус с размещенными в нем ротором и двумя колесами-разделителями, кинематически связанными друг с другом. Ротор размещен в средней секции корпуса, оснащен двумя лопастями, перекрывающими рабочий канал, и снабжен ограничивающими рабочий канал боковыми стенками. По крайней мере, в одной из боковых стенок на участках, прилегающих к напорным поверхностям лопастей, выполнены окна, при этом в торцевых стенках рабочей камеры выполнены ответные проемы, к которым подключены патрубки высокого давления. Колеса-разделители установлены в крайних секциях корпуса с перекрытием рабочего канала по линии соприкосновения их цилиндрических поверхностей с ротором.
/Патент РФ №2135778, F01C 1/08, опубл. 27.08.1999 г./ /1/
Недостатками известного устройства является то, что: подвод/отвод рабочего тела высокого давления осуществляется через окна, выполненные в боковых стенках ротора и ответные проемы в торцевых стенках рабочей камеры, которые имеют очень ограниченный размер. Это приводит к более высоким гидравлическим потерям и увеличению времени при заполнении (выталкивании) газообразного рабочего тела при прочих равных условиях. Наличие в устройстве ограничивающих боковых стенок значительно увеличивает сопряженную площадь подвижных и неподвижных элементов конструкции, что приводит к увеличению перетекания рабочего тела из объемов с более высоким давлением в объемы с более низким давлением и потерь на трение указанных поверхностей, снижая тем самым эффективность устройства и технологичность его конструкции, а ограниченное использование внутренних полостей ротора и корпуса в качестве рабочих объемов устройства не позволяет реализовать потенциальные возможности изобретения.
Также известен газороторный привод, содержащий корпус, в расточках которого, образованных пересекающимися цилиндрическими поверхностями, размещены два ротора, установленные относительно цилиндрических стенок корпуса с образованием кольцевых каналов, связанных между собой. Устройство также содержит каналы подвода и канал отвода рабочего тела, выполненные в виде патрубков. Каждый ротор оснащен выемкой и профилированной лопастью, выполненной ответной выемке другого ротора и с возможностью перекрытия соответствующего кольцевого канала для разделения его на зону расширения и зону выхлопа рабочего тела. Наличие в роторе ответной выемки для профилированной лопасти снижает эффективный объем устройства.
/(Патент США №3.472.445 A, F01С 1/12 опубл. 14.10.1969)/ /2/
Недостатками известной конструкции является то, что подвод/отвод рабочего тела в устройство, также как и в предыдущем решении, осуществляется через окна ограниченных размеров, что приводит к гидравлическим потерям и увеличивает время при заполнении (выталкивании) газообразного рабочего тела, в нем также не предусмотрено использование внутренних объемов роторов для размещения рабочего тела, что ухудшает габаритно-массовые, мощностные и расходные характеристики устройства в целом.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является роторная машина объемного типа, содержащая корпус (1), по меньшей мере, один канал (8) подвода / отвода рабочего тела и колесо-разделитель (5) с технологической выемкой (6), центральное тело, установленное во внутренней полости корпуса с возможностью вращения вокруг своей оси и с зазором относительно стенки корпуса с образованием кольцевого рабочего (9) канала, профилированный элемент перекрывающий канал подвода, выступ (18) и лопасть (4).
/РФ №2391514 C1, F01C 1/00, опубл. 10.06.2010 г./ /3/
Недостатками данной конструкции является наличие сопряженных поверхностей сложного профиля колеса-разделителя, что требует применения специального технологического оборудования для обеспечения их высокоточного изготовления и дополнительных затрат для поддержания необходимой герметичности в процессе их эксплуатации. Другими недостатками являются существенная зависимость используемого полезного объема кольцевого рабочего канала устройства от площади продольного проема на поверхности колеса-разделителя и размеров перегородки корпуса и образование отрицательного крутящего момента, создаваемого колесом-разделителем из-за разности давления рабочего тела, действующего на его части поверхности сложного профиля слева и справа перегородки (зоны расширения и выхлопа) при сопряжении их поверхностей.
Ожидаемым техническим результатом изобретения является расширение энергетических возможностей и повышение эффективности его использования, а также улучшение технологичности и снижение стоимости как при изготовлении, так и в эксплуатации.
Ожидаемый технический результат достигается тем, что известная роторная машина объемного типа, содержащая корпус (1), по меньшей мере, один канал (8) подвода / отвода рабочего тела и колесо-разделитель (5) с технологической выемкой (6), центральное тело, установленное во внутренней полости корпуса с возможностью вращения вокруг своей оси и с зазором относительно стенки корпуса с образованием кольцевого рабочего (9) канала, профилированный элемент перекрывающий канал подвода, выступ (18) и лопасть (4), отличающаяся тем, что она снабжена центральным стационарным коллектором (7) с, по меньшей мере, одним продольным окном (16), корпус выполнен стационарным, а центральное тело выполнено в виде ротора (2) с кольцевой камерой подогрева (3), ограниченной внешней (12) обечайкой с продольным проемом (13) и внутренней (14) обечайкой с продольной щелью (15), камера подогрева (3), сообщена с проемом (13) и каналом (8) подвода/ отвода рабочего тела, при этом профилированный элемент выполнен на внутренней (14) обечайке ротора (2) с возможностью перекрытия продольного окна (16), колесо-разделитель (5) с технологической выемкой (6), установлено во внутренней полости корпуса между стенкой корпуса и ротором (2) с возможностью вращения вокруг своей оси, а лопасть (4) и выступ (18) выполнены на внешней (12) обечайке ротора (2), причем поверхность технологической выемки (6), колеса-разделителя (5) сопряжена с ответной поверхностью выступа (18). В предложенной роторной машине, конструкция центрального тела обеспечивает преобразование энергии движения газа в его вращение. Центральное тело и является ротором машины. Машина может содержать камеру подогрева. Предложение допускает расположение камеры подогрева модульной конструкции во внутренней полости ротора, выполненного с центральным отверстием, в котором установлен неподвижный пустотелый коллектор с возможностью периодического сообщения его объема с объемом камеры подогрева.
Модуль камеры подогрева ограничен боковыми стенками ротора и может включать для организации горения жаровую трубу (на рисунке не показано), элементы конструкции которой воспринимают основные газодинамические и тепловые нагрузки, связанные с воспламенением и горением топливовоздушной смеси.
Для обеспечения работоспособности горячих элементов конструкции ротора и корпуса в устройстве может быть применена система их охлаждения. Для чего образуется контур системы охлаждения, теплоносителем может быть и штатное рабочее тело. При этом реализуется раздельный его подвод в камеру подогрева и систему охлаждения (на рисунке не показан). После отбора тепла от элементов конструкции подогретый воздух направляется в зону расширения для его последующего смешения с основным потоком из камеры подогрева.
Причем после системы охлаждения эта часть воздуха может использоваться для образования топливовоздушной смеси второго этапа подвода тепла (горения) в зоне расширения.
Объем камеры подогрева постоянно сообщен с кольцевым рабочим каналом через продольный проем на внешней обечайке ротора и периодически - с коллектором через его вырез и совмещаемым с ним при вращении ротора проем на внутренней его обечайке.
Причем коллектор соединен с источником сжатого рабочего тела.
В отличие от прототипа применение выступа обеспечивает более ранний контакт поверхностей ротора (по кромке выступа) и выемки колеса-разделителя, что позволяет увеличить рабочий объем расширения с образованием положительного крутящего момента в большем диапазоне угла поворота ротора. С момента контакта поверхностей формируется изолированный объем зоны расширения очередного рабочего такта. Указанный объем заполняется рабочим телом через камеру подогрева и обеспечивается процесс его расширение.
Кроме того в зону расширения рабочее тело может поступать и по другим каналам, например из системы охлаждения горячих элементов конструкции устройства.
Колесо-разделитель установлено в технологической секции кольцевого рабочего канала корпуса с возможностью вращения относительно своей оси и обкатываться без скольжения по внешней поверхности ротора с обеспечением плотного контакта по месту соприкосновения их цилиндрических поверхностей.
Причем для взаимного вращения ротора с радиальной перегородкой и колеса-разделителя без закусывания и обеспечением минимальных зазоров по месту контакта последнее выполнено с технологическим профилированным углублением типа выемки для прохода перегородки.
Цилиндрические поверхности внутренней обечайки камеры подогрева и коллектора с их периодически совмещаемыми вырезами при вращении ротора выполняют функцию золотника, через который внутрь поступает очередная свежая порция сжатого воздуха из коллектора.
Дополнительное регулирование подачи воздуха может производиться поворотом коллектора (или его части). Плотность контакта между сопрягаемыми поверхностями достигается за счет минимальных технологических зазоров, обеспечивающих применением освоенных производственных технологий при их изготовлении.
Герметичность сопрягаемых цилиндрических поверхностей, имеющих правильные формы тел вращения, кроме плотности контакта обеспечивается также за счет трения качения их поверхностей, вращаемых с равной линейной скоростью по линии соприкосновения, а также технологических возможностей по повышению точности при их производстве.
Указанные мероприятия обеспечивают достижение приемлемого уровня перетекания рабочего тела (потерь) из зоны расширения в зону выхлопа устройства.
Ротор кинематически связан с колесом-разделителем, при этом ось вращения колеса-разделителя и ось вращения ротора установлены в одной плоскости.
В изобретении рабочий объем зоны расширения, кроме применения выступа на роторе, увеличивается за счет объемов «затененной» выемки и окружной расточки, по каналу которой после перекрытия полости выемки расточкой корпуса их объемы сообщаются с кольцевым рабочим каналом в процессе такта расширения.
Согласно изобретению цилиндрическая часть ротора расположена с зазором относительно внутренней стенки корпуса и образованием в нем кольцевого рабочего канала, разделенного радиальной перегородкой и колесом-разделителем на зоны расширения и выхлопа рабочего тела.
Зона расширения включает объемы кольцевого рабочего канала устройства между колесом-разделителем и радиальной перегородкой с камерой подогрева, соединенные через продольное окно в виде выреза на внешней обечайке ротора, а также полости выемки колеса-разделителя и окружной щелью в корпусе.
Для повышения энергоэффективности устройства к рабочему телу в камере подогрева и соединенных с ней изолированных объемах обеспечивается подвод тепла. Причем для снижения уровня «пульсаций» давления продуктов сгорания и «паразитных» напряжений на элементы конструкции в первоначальный момент расширения подвод тепла может реализовываться поэтапно и осуществляться в разных полостях. Первый этап - в начале такта расширения в постоянном изолированном объеме. Последующий этап - в процессе поворота ротора при изменяемом объеме (по аналогии цикла Тринклера) в зависимости от предназначения устройства. Таким образом, может обеспечиваться потребный крутящий момент на роторе устройства за счет поддержания необходимого для этого перепада давлений на радиальной перегородке и простое и равномерное его вращательное движение.
Кроме того снижение перепада давлений на радиальной перегородке положительно влияет на снижение уровня перетекания рабочего тела из зоны расширения в зону выхлопа устройства.
Соединение камеры подогрева с кольцевым рабочим каналом обеспечивается через продольный вырез на внешней обечайке ротора постоянно, а с коллектором подвода рабочего тела - периодически через продольную щель (проем) на внутренней обечайке ротора и ответное окно на неподвижном коллекторе.
Устройство может представлять собой бесклапанный гибридный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) разделенного цикла с предварительным внешним сжатием рабочего тела, в рабочем объеме которого при определенных условиях попеременно происходят процессы впуска рабочего тела, подвод тепла, рабочий ход-расширение и выпуск отработанных газов.
Продукты сгорания, расширяясь в рабочем объеме и действуя на радиальную перегородку, создают крутящий момент на роторе устройства и производят механическую работу.
Причем отработанные газы с повышенными параметрами, в том числе «потери» рабочего тела после перетекания из зоны расширения могут направляться через зону выхлопа для дальнейшего использования в сложном цикле энергетической установки (например, в турбонадувном двигателе ТНД или силовой турбине и др.).
В изобретении могут быть реализованы и объединены достоинства (ГТД) и поршневого двигателя в одной конструкции, что обеспечивает ряд преимуществ:
- простота силовой установки;
- равномерное вращение рабочих элементов устройства - это полное отсутствие возвратно - поступательных движений любого типа (линейных, дугообразных, планетарных и пр.), а соответственно - нет никаких циклически повторяющихся ускорений и знакопеременных инерционных нагрузок на детали двигателя, что позволяет снизить массу и повысить механический к.п.д.;
- реализация непрерывного с максимальным уровнем крутящего момента на роторе практически во всем диапазоне чисел оборотов, что позволяет существенно расширить область применение устройства;
- конструкция устройства может обеспечить более полное расширение рабочего тела, что позволяет реализовать повышенный термический к.п.д. цикла;
- в результате периодического подвода тепла кратковременность воздействия высоких температур газов обеспечивается прочность элементов конструкции при большем термическом к.п.д. цикла;
Для предложенной схемы устройства есть потенциальные возможности достигать оборотов рабочего вала соизмеримых с характеристиками ГТД, но с соответствующим значительным наращиванием своей мощности.
Предложенная техническая организация кинематической схемы устройства обеспечивает прямой и непосредственный перевод простого и непрерывного вращения ротора во вращение рабочего вала привода потребителя и не требует применения дополнительных механизмов для преобразования типов движения и не нуждается в специальном механизме газораспределения, что характерно для двигателей других классификационных групп. Комплексную функцию главного органа механизма газораспределения выполняет сам ротор.
Преимущества устройства способствуют применению в отраслях техники, реализующих данные преимуществ и особенно в судостроении и индустриальной энергетике.
В конструкции и работе изобретения используются отработанные производственные технологии, а также освоенные циклы (ДВС), состоящие из простейших термодинамических процессов.
Схема позволяет исключить типовые недостатки классической схемы ДВС и максимально использовать совершенство технологий сжатия, горения и расширения рабочего тела в (ГТД), а также положительные качества их элементов конструкции.
Снижение потерь энергии рабочего тела по сравнению с прототипом достигается за счет:
- снижения гидравлического сопротивления при перемещении рабочего тела между полостями в результате повышения площадей каналов;
- повышения герметичности в месте соприкосновения поверхностей достигается плотностью контактов между ними путем технологических возможностей производства устройства и обеспечением трения качения цилиндрических поверхностей в месте их контакта;
- увеличения такта расширения использованием кольцевой окружной щели в корпусе;
- отработанные газы с повышенными параметрами с паразитными утечками после устройства могут направляться для дальнейшего использования в цикле энергетической установки.
Улучшенная технологичность и универсальности роторной машины по сравнению с прототипом достигается за счет:
- исключения элементов конструкции с поверхностями технологически сложного профиля;
- использования технологически простых элементов конструкции устройства, в том числе цилиндрической и других в поперечном сечении правильных формы тел вращения;
- простоты и уменьшения количества деталей устройства.
Подвод рабочего тела в зону расширения устройства осуществляют через пустотелый ротор постоянно соединенным с кольцевым рабочим каналом. Во внутренний объем ротора рабочее тело из канала подвода рабочего тела подается периодически через совмещенные продольные щели на неподвижном коллекторе и на внутренней стенке ротора.
Все основные и наиболее ответственные детали роторного устройства представляют собой простые фигуры вращения, поэтому они могут без затруднений изготавливаться на стандартных металлорежущих станках по освоенным технологиям.
Изобретение поясняется схематичным чертежом (представлен с учетом вращения ротора по часовой стрелке):
На чертеже показан поперечный разрез роторной машины с двумя колесами-разделителями в промежуточном положении конструктивных элементов устройства, при котором завершен этап заполнения объемов рабочим телом (например: газом) и начало такта расширения.
Роторная машина объемного типа, содержит корпус 1, в цилиндрических расточках которого установлены пустотелый ротор 2 с лопастями 4 и выступами 18, обечайками 12 и 14 образующими между ним, камеру подогрева 3, два колеса-разделителя 5 с технологическим выемкой 6 и коллектор 7 подвода рабочего тела в камеру подогрева 3 и каналом выпуска рабочего тела 8.
Цилиндрическая часть ротора 2 расположена с зазором относительно внутренней стенки корпуса и образованием между ними кольцевого рабочего канала 9, разделенного лопостями 4 и колесом-разделителем 5 на зону расширения 10 рабочего тела и зону выхлопа 11 отработанного рабочего тела.
Конструкция пустотелого ротора 2 технологически реализуется за одно целое с камерой подогрева 3 во внутреннем его рабочем объеме и с лопастями 4, причем ротор кинематически связан с колесом-разделителем 5, а оси их вращения выполнены параллельными (на рисунке не показано).
Камера подогрева 3 заключена между внешней обечайкой 12 с продольным проемом 13 и внутренней обечайкой 14 с продольной щелью 15 и боковыми стенками пустотелого ротора (на рисунке не показано).
Камера подогрева 3 постоянно сообщена через проем 13 на внешней обечайке 12 с зоной расширения 10 кольцевого рабочего канала 9, и периодически соединяется через продольную щель 15 на внутренней обечайке 14 и ответное продольное окно 16 на неподвижном коллекторе 7.
Для увеличения рабочего объема зоны расширения 10 с помощью окружной расточки 17 в корпусе полость выемки 6 колеса-разделителя сообщается с кольцевым рабочим каналом после ее перекрытия (затенения) окружной расточкой корпуса.
После контакта (взаимодействия) поверхностей выступа ротора 18 и выемки колеса-разделителя 5 объем зоны расширения изолируется, происходит продолжение его заполнения рабочим телом через камеру подогрева. В соответствии с программой регулирования обеспечивается подвод тепла к свежему заряду.
Для уравновешения действия центробежных и газовых сил, действующих на элементы конструкции ротора и увеличения крутящего момента устройство может включать два и более колеса-разделителя, а ротор соответственно - две и более лопасти (или привод может включать две и более секций, установленные относительно друг друга под равными углами и другие варианты).
Работа роторной машины объемного типа осуществляется следующим образом.
Коллектор 7 постоянно сообщен с источником сжатого рабочего тела.
Рабочее тело с повышенным давлением из коллектора 7 периодически, через совмещаемые продольные окно 16 на неподвижном коллекторе 7 и щель 15 на внутренней обечайке 14 поступает в камеру подогрева 3.
В процессе заполнения камеры подогрева 3 происходит вытеснение из ее объема находящихся из предыдущего цикла отработанного рабочего тела через проем 13 в кольцевой рабочий канал 9 и далее в канал выпуска отработанного рабочего тела 8.
Кратковременно, при совмещении проема 13 с каналом 8, отработанное рабочее тело, вытесняемое рабочим телом из камеры подогрева 3, поступает зону выхлопа 11 и завершается после начала взаимодействия (контакта) поверхностей выступа 18 с выемкой 6 колеса-разделителя.
С момента контакта поверхностей выступа 18 с выемкой 6 зоны выхлопа и расширения изолированы. Это и есть начало процесса такта расширения с образованием положительного крутящего момента.
Продолжение заполнения объема зоны расширения рабочим телом из камеры подогрева 3 обеспечивается после первоначального момента взаимодействия поверхностей выступа 18 с выемкой 6 колеса-разделителя 5 и завершается после взаимного перекрытия продольного окна 16 на коллекторе 7 и продольной щели 15 на внутренней обечайке 14. Продольная щель 15 и ответное продольное окно 16 выполняют функцию золотникового клапана.
Камера подогрева 3 через постоянно открытый проем 13 на внешней обечайке 12 сообщена с зоной расширения 10.
Зоны расширения 10 изолирована, камера подогрева 3 заполнена свежим зарядом рабочего тела, взаимно перекрыты продольные щели 15 и окна 16 с данного момента созданы условия для начала подвода тепла к рабочему телу.
Процесс такта расширения продолжается.
Неподвижный коллектор 7 постоянно соединен с зоной расширения.
При необходимости увеличения объема свежего заряда рабочего тела в цикле изолирование камеры подогрева 3 от неподвижного коллектора 7 осуществляют при более позднем перекрытии продольной щели 15 с окном 16 в процессе дальнейшего вращения ротора. В результате происходит заполнение рабочим телом дополнительной части объема слева от радиальной лопасти 4 (в т.ч. объемов выемки 6, окружной расточки 17 и зоны расширения 10 через проем 13 из камеры подогрева 8.
При использовании в качестве свежего рабочего тела топливовоздушной смеси после наполнения объемов камеры подогрева 8, выемки 6, окружной расточки 17 и зоны расширения 10 (соответствующих максимальному изолированному объему впуска, выполняющему функцию объединенной камеры сгорания) осуществляют ее воспламенение.
Причем подвод тепла к рабочему телу в устройстве может быть реализован как при постоянном объеме, так при постоянном давлении или при постоянном объеме и давлении (цикл Тринклера) в зависимости от способа подвода топлива, формирования и подачи топливовоздушной смеси и других газов.
После воспламенения топливовоздушной смеси в изолированном объеме (объединенной камере сгорания) и повышения рабочего давления происходит процесс расширения рабочих газов в зоне 10, обеспечивая вращательное перемещение роторов 2 относительно корпуса с созданием рабочего уровня крутящего момента.
За счет разности давлений, действующих на противоположные поверхности лопасти 4, создается крутящий момент, под действием которого происходит вращение ротора (на чертеже ротор 1 вращается по часовой стрелке). Давление рабочих газов в зоне 10 многократно больше по сравнению с давлением отработанных газов в зоне 11.
Зона 11 кольцевого рабочего канала 8 сообщена через продольное окно (канал) 8 с патрубком отвода отработанного рабочего тела.
Процесс расширения рабочего тела в зоне 10 происходит до момента совмещения внешней кромки лопасти 4 с продольным окном 8.
При повороте ротора 2 на определенном угле совмещаются продольные щели 15 и окна 16 и начинается наполнение объема камеры подогрева 3 из коллектора 7 очередной порцией свежего заряда рабочего тела.
Процесс (такт) расширения рабочего тела в рабочих объемах объединенной камеры сгорания завершается после прохода радиальной перегородкой 4 проема 8, при котором происходит выпуск отработанных газов из внутреннего объема камеры подогрева.
И далее аналогично начинается повторный (очередной) цикл работы устройства.
В устройстве применением выступа 18 значительно увеличен такт расширения и диапазон действия крутящего момента на роторе.
Роторная машина объемного типа обеспечивает простое и равномерное вращательное движение ротора и его главные рабочие элементы конструкции.
Применение предложенной роторной машины объемного типа обеспечивает более эффективное по сравнению с известными аналогами преобразование потенциальной энергии рабочего тела высокого давления в механическую работу, в том числе увеличение КПД, улучшение удельных массовых и габаритных показателей, повышение его быстродействия, а также улучшение технологичности и снижение стоимости как при изготовлении, так и в эксплуатации.