РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
ROTARY ENGINE

Изобретение относится к устройствам для преобразования тепловой энергии сжатого рабочего тела, в качестве которого используется водяной пар или газ, полученный при сжигании топлива, в механическую энергию, и может быть использовано в промышленности, в энергетике, на транспорте и в быту для привода машин и механизмов.
Наиболее широко для привода машин, в том числе транспортных средств, используются двигатели внутреннего сгорания, газовые и паровые турбины.
Двигатели внутреннего сгорания и газовые турбины работают на жидком или газообразном топливе. При этом в поршневых и роторно-поршневых двигателях внутреннего сгорания процесс сгорания топлива и превращение тепловой энергии в механическую работу происходит во внутрицилиндровом объеме в пространстве над поршнем. В газотурбинных двигателях (ГТД) процесс сгорания топлива проходит под давлением в камере сгорания, куда под давлением подается топливо и воздух. Образующее при этом рабочее тело (продукты сгорания) поступает на лопатки колес турбины, совершая работу. В паровых турбинах рабочим телом является водяной пар, получаемый в паровых котлах, в которых тепловая энергия от сжигания топлива передается через теплообменные стенки труб циркулирующему по замкнутому контуру рабочему телу (воде).
x
Как правило, мощность двигателей внутреннего сгорания не превышает 1000-2000 кВт. Двигатели внутреннего сгорания имеют большие габаритные размеры, металлоемки, имеют сложную конструкцию, не уравновешены, трудоемки при изготовлении и требуют высококвалифицированного обслуживания при эксплуатации. Кроме того двигатели внутреннего сгорания при эксплуатации сбрасывают в окружающую среду значительное количество вредных веществ (СО и NO), образующих в процессе сгорания топлива. В связи со значительными потерями тепловой энергии в окружающую среду с отходящими выхлопными газами и системой охлаждения, КПД двигателей внутреннего сгорания карбюраторного типа не превышает 25%, а дизельных двигателей - 40%.
Газовые и паровые турбины более компактны и уравновешены. Мощность их достигает десятки МВт. КПД паровых турбин составляет примерно 25%, а КПД газовых турбин доходит до 40% и даже выше. Паровые и газовые турбины имеют ограничения по возможности их применения для приводов малой мощности. Чем больше мощность ГТД, тем выше КПД. При неполной нагрузке имеет место значительное падение КПД.
Наибольшее распространение получили ГТД открытого цикла, в которых атмосферный воздух с давлением и температурой окружающей среды проходит систему воздушных фильтров, поступает на вход компрессора, где сжимается в адиабатическом режиме до давления 0,6-1,6 МПа, при этом температура воздуха поднимается до 240-340°С.
Высокая степень сжатия воздуха в компрессоре без промежуточного охлаждения приводит к большому потреблению энергии, что сокращает эффективную мощность, выдаваемую турбиной. Это обстоятельство в традиционно применяемых газотурбинных двигателях часто приводит к ограничению давления воздуха перед камерой сгорания. В то же время известно, что повышение давления рабочего тела перед турбиной повышает эффективность двигателя и уменьшает его массогабаритные характеристики.
Сжатый воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, куда подается газообразное или жидкое топливо. За счет сжигания топлива температура рабочего тела (продуктов сгорания смешанных с избыточным воздухом, подаваемым в камеру сгорания) поднимается до 800-960°С и даже до 1400°С.
Характерной особенностью газотурбинных двигателей является большой избыток воздуха, подаваемый в камеру сгорания. Это связано с необходимостью понизить температуру продуктов сгорания топлива в камере сгорания перед подачей их на лопатки турбины. Обычно топливо сжигают в камере сгорания при коэффициенте избытка воздуха α=3÷6. Камера сгорания и детали газовой турбины работают при относительно высоких температурах 900-1400°С и давлениях 1,9-4,0 МПа. Высокая частота вращения вала турбины (20000-40000 об/мин) вызывает значительные напряжения в дисках и лопатках. Для изготовления камеры сгорания и детали газовой турбины применяются материалы с повышенной жаростойкостью и жаропрочностью.
Для увеличения мощности и уменьшения габаритных размеров двигателя увеличивают температуру газа перед турбиной. Это вызывает необходимость применять воздушное охлаждение лопаток, сопловых аппаратов и рабочих колес. Повышение температуры газа значительно увеличивает удельную мощность двигателя и понижает проходящий через него расход воздуха. При этом уменьшаются габаритные размеры двигателя, одновременно снижается ресурс работы и усложняется конструкция двигателя.
Проходя через газовую турбину, газ расширяется до атмосферного давления и поступает на выхлоп. Температура сбрасываемого в атмосферу газа составляет 400-600°С.
КПД газотурбинного двигателя, работающего по открытой схеме, не превышает 25%.
При работе газотурбинного двигателя на пониженной нагрузке растет удельный расход топлива. Уменьшение частоты вращения приводит к понижению давления воздуха, уменьшению термического КПД цикла и уменьшению экономичности двигателя. Устройство поворотных сопловых лопаток и другие способы повышения эффективности работы газотурбинного двигателя при пониженных нагрузках приводят к значительному усложнению конструкции двигателя и увеличению массогабаритных характеристик. Следует также отметить, что чем меньше мощность газотурбинного двигателя, тем ниже его эффективность. При мощности ниже 100-150 кВт применение ГТД становится не выгодно.
x
Газовые и паровые турбины требуют высокой точности при изготовлении и высококвалифицированного обслуживания. Газовые турбины, при эксплуатации сбрасывают в окружающую среду с отходящими выхлопными газами значительное количество вредных веществ (СО и NO).
К недостаткам газотурбинного двигателя также следует отнести компримирование воздуха в осевых и центробежных компрессорах при высоких степенях сжатия без промежуточного межступенчатого охлаждения, большие потери теплоты с отходящими газами, сбрасываемыми при высокой температуре. Применение традиционно используемых рекуперативных теплообменных аппаратов приводят к значительному увеличению массогабаритных характеристик турбин.
Известен роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания RU 2597333 С1, работающий по принципу четырехтактного двигателя. 1 такт - впуск порции рабочей смеси, состоящей из паров топлива и воздуха, в камеру впуска, 2 такт - сжатие рабочей смеси компрессором и передача ее в камеру сгорания, 3 такт - рабочий ход с искровым зажиганием рабочей смеси в камере сгорания и воздействием давления и температуры продуктов сгорания на элементы двигателя, 4 такт - выпуск отработавших газов в атмосферу. Конструкция роторно-поршневого двигателя повышает эффективность работы двигателя предложенного типа, однако сохраняет принцип традиционно применяемых четырехтактных двигателей внутреннего сгорания со всеми их достоинствами и недостатками.
Наиболее близкой схемой предлагаемого двигателя является схема газотурбинного двигателя открытого цикла, включающая в себя компрессор воздуха, камеру сгорания и расширитель рабочего тела (турбину).
В основу изобретения положена задача создания компактного двигателя преобразующего тепловую энергию сжатого рабочего тела газа или водяного пара в механическую энергию, при этом обеспечить снижение удельного расхода топлива на единицу мощности, повысить полноту сгорания топлива, сократить выбросы вредных веществ в окружающую среду с отходящими дымовыми газами, повысить надежность при эксплуатации.
Задачей настоящего изобретения также является сократить потребление энергии при компримировании воздуха при использовании в качестве рабочего тела продуктов сгорания от сжигания газообразного или жидкого топлива.
Задачей настоящего изобретения также является обеспечить возможность повысить давление рабочего тела перед его расширением по сравнению с традиционно применяемыми газотурбинными двигателями.
Задачей настоящего изобретения также является обеспечить возможность создания двигателя малой мощности (3-50 кВт) при использовании в качестве рабочего тела водяного пара.
Для решения поставленных задач при использовании в качестве рабочего тела продуктов сгорания от сжигания газообразного или жидкого топлива схема предлагаемого двигателя включает компрессор воздуха, камеру сгорания и расширитель продуктов сгорания - двигатель.
При использовании в качестве рабочего тела водяного пара компрессор воздуха и камера сгорания исключаются.
При использовании в качестве рабочего тела продуктов сгорания предлагается сжимать воздух перед камерой сгорания до требуемого давления в компрессоре с промежуточным, по меньшей мере, с одним межступенчатым охлаждением. Такое техническое решение позволит сократить мощность, потребляемую компрессором, за счет более экономичного сжатия воздуха в режиме, приближенному наиболее близко к изотермическому. Чем больше ступеней с промежуточным охлаждением, тем выше эффективность сжатия воздуха, тем меньше потребление энергии на сжатие воздуха, тем выше КПД компрессора. В качестве теплообменных аппаратов для межступенчатого охлаждения воздуха можно применить теплообменники любого типа, но предпочтительно использовать компактные теплообменники радиально-спирального типа по патентам на изобретения RU №2075020 и №2348882.
В качестве камеры сгорания предлагается использовать конструкцию беспламенной горелки по патенту на изобретение RU №2335699 в сочетании со способом эффективного сжигания топлива по патенту на изобретение RU №2347977. Такое техническое решение обеспечивает поддержание заданной адиабатической температуры горения топлива за счет дозирования в воздух части отходящего дымового газа, т.е. снижения в нем содержания кислорода. Чем меньше концентрация кислорода в окислителе (воздухе) подаваемом в камеру сгорания, тем ниже адиабатическая температура горения топлива.
x

При адиабатической температуре горения не более 1100-1200°С в продуктах сгорания практически будут отсутствовать вредные вещества СО и NO. Использование в качестве камеры сгорания конструкции беспламенной горелки обеспечит практически полное сжигание топлива при стехиометрическом содержании кислорода в окислителе даже при пониженной его концентрации в окислителе, а также обеспечит заданную температуру рабочего тела равномерно по всему объему газа, исключит очаги его перегрева и повысит надежность и ресурс эксплуатации двигателя. Такое техническое решение исключает необходимость подавать в камеру сгорания избыточный воздух, уменьшит количество воздуха, сжимаемого компрессором, сократит потребление энергии на его компримирование, обеспечит снижение удельного расхода топлива на единицу мощности, повысит полноту сгорания топлива, сократит выбросы вредных веществ в окружающую среду. Сокращение потребления энергии на компримирование воздуха создает условия для повышения давления рабочего тела до требуемой величины перед камерой сгорания и соответственно перед его расширением в газовой турбине или расширителе (двигателе) другого типа. (Д.Л. Астановский, Л.З. Астановский, П.В. Кустов. «Газотурбинные технологии»: Оборудование и технологии ФАСТ ИНЖИНИРИНГ для создания перспективного газотурбинного двигателя, октябрь-ноябрь 2016, с. 24-28).
Для решения поставленных задач согласно изобретению предлагается конструкция двигателя (расширителя рабочего тела), содержащая цилиндрический корпус с патрубками впуска и выпуска рабочего тела, цилиндрическую втулку, соосно установленную в корпусе с образованием между ними кольцеобразного пространства, вал, установленный внутри цилиндрической втулки эксцентрично относительно продольной оси корпуса, с закрепленными на его противоположных концах двумя дисками, плотно прилегающими к торцам корпуса и втулки, закрывающими с торцов кольцеобразное пространство, каждый диск на внутренней поверхности имеет радиальные пазы для свободного перемещения сухарей вдоль радиальных пазов, при этом сухари имеют цилиндрические выступы для соединения их с отверстиями вращающихся поршней, а плоскость внутренней поверхности сухарей совпадает с плоскостью внутренней поверхности дисков, цилиндрические выступы сухарей вставлены в отверстия поршней, причем количество пазов на каждом диске и количество сухарей равно количеству вращающихся вокруг оси корпуса в кольцеобразном пространстве на расстоянии друг от друга поршней, образующих между ними камеры, объем которых увеличивается по направлению от патрубка впуска рабочего тела к патрубку выпуска рабочего тела. При этом на внутренней поверхности корпуса перпендикулярно образующей цилиндрической поверхности выполнены два канала, расположенные оппозитно друг относительно друга, причем один сообщен с патрубком впуска рабочего тела, а другой - с патрубком выпуска рабочего тела. Начало канала, соединенного с патрубком впуска рабочего тела, выполнено совпадающим с линией касания первого по ходу поршня с внутренней поверхностью цилиндрического корпуса при нахождении двух смежных поршней на минимальном расстоянии друг от друга, а длина канала равна или меньше длины касания первого по ходу поршня по окружности с внутренней поверхностью цилиндрического корпуса. Начало канала, соединенного с патрубком выпуска рабочего тела, выполнено совпадающим с линией касания первого по ходу поршня с внутренней поверхностью цилиндрического корпуса при нахождении двух смежных поршней на максимальном расстоянии друг от друга, а конец канала совпадает с линией касания последнего по ходу поршня с внутренней поверхностью цилиндрического корпуса при нахождении двух смежных поршней на минимальном расстоянии друг от друга. Каждый вращающийся поршень может быть выполнен в виде усеченного сектора, ограниченного внутренней поверхностью цилиндрического корпуса и наружной поверхностью цилиндрической втулки, высота поршня по существу равна ширине кольцеобразного пространства, а его длина равна длине цилиндрической втулки, кроме того, каждый поршень имеет прорези, расположенные вдоль образующей на внутренней цилиндрической поверхности поршня для установки свободно перемещаемых в радиальном направлении в прорезях уплотнительных пластин с поджимными пружинами. При этом плоскости противоположных торцов уплотнительных пластин совпадают с плоскостями внутренних поверхностей дисков. Цилиндрический корпус двигателя может быть дополнительно снабжен двумя торцевыми дисками, закрепленными на корпусе эксцентрично относительно его оси, при этом с дисками могут быть соединены торцевые крышки с подшипниковыми узлами и уплотнением, в которых размещен вал.
На одном валу может быть установлена одна или несколько друг за другом ступеней расширения рабочего тела. При многоступенчатом расширении рабочего тела на трубопроводе, соединяющим патрубок выпуска рабочего тела из предыдущей ступени с патрубком впуска рабочего тела в последующую ступень может быть дополнительно установлен теплообменный аппарат для подогрева рабочего тела внешним теплоносителем или камера сгорания топлива для подогрева рабочего тела перед подачей его на последующую ступень.
Установка внутри цилиндрического корпуса концентрично цилиндрической втулки образует цилиндрическое кольцеобразное пространство -рабочую зону для расширения газа или пара - с постоянным сечением для перемещения вращающихся вокруг оси корпуса поршней. При этом рабочее тело, расширяясь между двумя смежными вращающимися поршнями через посредство сухарей, перемещающихся в радиальных пазах дисков, закрепленных на валу, приводят во вращение вал.
В предлагаемой конструкции двигателя вращающиеся поршни, выполненные в виде усеченных секторов, при их вращении за счет центробежной силы вокруг оси корпуса, плотно прижимаются к внутренней цилиндрической поверхности корпуса, а пластины с поджимными пружинами, установленные в прорези вращающихся поршней вдоль образующей на внутренней цилиндрической поверхности поршня обеспечивают уплотнение между цилиндрической втулкой и поршнем, предотвращая переток рабочего тела из полсти с более высоким давлением в полость с более низким давлением.
Закрепленные на валу вращающиеся диски, с перемещающимися вдоль пазов сухарями, плотно прилегающими к торцам цилиндрического корпуса двигателя, цилиндрической втулки, поршней и уплотнительных пластин, закрывающими с торцов цилиндрическое кольцевое пространство, обеспечивают надежное уплотнение, предотвращая переток рабочего тела из полсти с более высоким давлением в полость с более низким давлением.
Возможность изменения длины канала, соединенного с патрубком впуска рабочего тела, позволяет выбирать оптимальную степень расширения рабочего тела в каждой ступени двигателя.
При многоступенчатом расширении рабочего тела имеется возможность его подогрева перед подачей на последующую ступень. Применение в предлагаемой конструкции двигателя двух и больше ступеней расширения обеспечивает возможность установки на трубопроводе, соединяющим патрубок выпуска рабочего тела из предыдущей ступени с патрубком впуска рабочего тела в последующую ступень, теплообменного аппарата для дополнительного подогрева рабочего тела внешним теплоносителем.
На трубопроводе, соединяющем патрубок выпуска рабочего тела из предыдущей ступени с патрубком впуска рабочего тела в последующую ступень, может быть дополнительно установлена камера сгорания для подогрева рабочего тела путем сжигания дополнительного топлива.
Соприкасающиеся трущиеся поверхности цилиндрического корпуса, цилиндрической втулки, вращающихся поршней, дисков, сухарей, уплотнительных пластин целесообразно изготавливать из твердых износостойких и антифрикционных материалов.
Конструктивное выполнение двигателя решает поставленные выше задачи настоящего изобретения.
Для межступенчатого охлаждения воздуха, при его компримировании, рекуперации теплоты отходящих дымовых газов, подогрева рабочего тела внешним теплоносителем предпочтительно использовать высокоэффективные, компактные теплообменные аппараты радиально-спирального типа.
Возможность дополнительного межступенчатого подогрева рабочего тела внешним теплоносителем или путем дополнительной установки между ступенями камер сгорания позволяет повысить КПД двигателя за счет более глубокого полезного использования тепла, сократить потери тепла в окружающую среду. При этом снижение температуры рабочего тела позволит повысить надежность эксплуатации и, тем самым, увеличить ресурс двигателя.
Применение для предлагаемой конструкции двигателя в качестве рабочего тела водяного пара позволит создавать взрывобезопасные двигатели, в том числе малой мощности, для приводов насосов, компрессоров и других машин для их использования во взрывоопасных и пожароопасных производствах.
В отличие от двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей, предлагаемый двигатель согласно изобретению имеет возможность плавного регулирования оборотов путем изменения количества подаваемого рабочего тела без ухудшения экономических характеристик двигателя.
В дальнейшем изобретение поясняется конкретным примером его выполнения и прилагаемыми чертежами фиг. 1, 2 и 3, на которых схематично изображены:
Фиг. 1 - поперечное сечение двигателя А-А,
Фиг. 2 - продольное сечение двигателя Б-Б,
Фиг. 3 - вариант двигателя с многоступенчатым расширением рабочего тела.
Двигатель содержит: цилиндрический корпус 1 с патрубками впуска 2 и выпуска 3 рабочего тела, вал 4, установленный в корпусе эксцентрично относительно его продольной оси, группу поршней 5-10, цилиндрическую втулку 11, соосно установленную в корпусе с образованием между ними кольцеобразного пространства 12, сухари 13. При этом вал 4 размещен внутри цилиндрической втулки, а на его противоположных концах закреплены два диска 14 и 15, плотно прилегающих к торцам корпуса 1 и втулки 11, закрывающих с торцов кольцеобразное пространство 12 и связанных с поршнями 5-10, размещенными в кольцеобразном пространстве с возможностью вращения вокруг оси корпуса и на расстоянии друг от друга с образованием между ними камер 16-21, объем которых увеличивается по направлению от патрубка 2 впуска рабочего тела к патрубку 3 выпуска рабочего тела. Каждый диск на внутренней поверхности имеет радиальные пазы 22 для свободного перемещения сухарей 13 вдоль радиальных пазов, при этом сухари имеют цилиндрические выступы 23 для соединения их с цилиндрическими отверстиями 24 вращающихся поршней, а плоскость внутренней поверхности сухарей 25 совпадает с плоскостью 26 внутренней поверхности дисков 14. Цилиндрические выступы сухарей 23 вставлены в отверстия 24 поршней 5-10, причем количество пазов 22 на каждом диске и количество сухарей 13 соответствует количеству вращающихся поршней 5-10. Согласно изобретению на внутренней поверхности корпуса перпендикулярно образующей цилиндрической поверхности выполнены два канала 27 и 28, расположенные оппозитно друг относительно друга, причем один канал 27 сообщен с патрубком 2 впуска рабочего тела, а другой канал 28 - с патрубком 3 выпуска рабочего тела. Начало 29 и конец 30 канала 27, соединенного с патрубком впуска рабочего тела 2, выполнено совпадающим с линиями касания первого по ходу поршня 5 с внутренней поверхностью цилиндрического корпуса при нахождении двух смежных поршней 5 и 10 на минимальном расстоянии друг от друга. Начало канала 28, соединенного с патрубком выпуска рабочего тела 3, выполнено совпадающим с линией касания 31 последнего по ходу поршня 8 с внутренней поверхностью цилиндрического корпуса 1 при нахождении двух смежных поршней 8 и 7 на максимальном расстоянии друг от друга, а конец канала 28 совпадает с линией касания 32 последнего по ходу поршня 10 с внутренней поверхностью цилиндрического корпуса 1 при нахождении двух смежных поршней 10 и 5 на минимальном расстоянии друг от друга. Каждый вращающийся поршень в сечении, перпендикулярном оси цилиндрического корпуса, может быть выполнен в виде усеченного сектора, ограниченного внутренней поверхностью цилиндрического корпуса 1 и наружной поверхностью цилиндрической втулки 11, высота поршня по существу равна ширине кольцеобразного пространства, а его длина равна длине цилиндрической втулки. Кроме того, каждый поршень может иметь прорези 33, расположенные вдоль образующей на внутренней цилиндрической поверхности поршня для установки в них свободно перемещаемых в радиальном направлении уплотнительных пластин 34 с поджимными пружинами 35. При этом плоскости противоположных торцов уплотнительных пластин 34 совпадают с плоскостями внутренних поверхностей 26 дисков 14 и 15.
Корпус двигателя может быть дополнительно снабжен двумя торцевыми фланцами 36, закрепленными на нем эксцентрично относительно его оси, при этом с фланцами могут быть соединены торцевые крышки 37 с подшипниковыми узлами 38 и уплотнением 39, в которых размещен вал 4.
На одном валу может быть установлена одна или несколько друг за другом ступеней расширения рабочего тела. Каждая ступень имеет патрубок входа и патрубок выхода рабочего тела. При этом рабочее тело, газ после камеры сгорания или водяной пар, поступает в патрубок 40 входа в первую ступень и выходит из патрубка 41. По трубопроводу 42 рабочее тело поступает в патрубок 43 входа во вторую ступень и выходит из патрубка 44 выхода рабочего тела из второй ступени. Далее рабочее тело по трубопроводу 45 поступает в патрубок 46 входа в третью ступень и расширенное рабочее тело выходит из третьей ступени через патрубок 47. При необходимости температура рабочего тела перед входом в последующую ступень может быть повышена путем его дополнительного нагрева в нагревателе, установленном на трубопроводе, соединяющим патрубок выхода рабочего тела из предыдущей ступени с патрубком входа рабочего тела в последующую ступень.