СПОСОБ РАБОТЫ РОТОРНО-ЛОПАСТНОЙ МАШИНЫ (ВАРИАНТЫ) И РОТОРНО-ЛОПАСТНАЯ МАШИНА
METHOD OF OPERATING ROTARY-VANE MACHINE (VERSIONS) AND ROTARY-VANE MACHINE

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения, к классу машин для сжатия воздуха, газов, для насосов перекачивания жидкостей, горючих смесей, эмульсий и т.д. (рабочего тела), называемых ротационными машинами со скользящими пластинами (лопастями), и к области двигателестроения в качестве двигателя внутреннего и внешнего сгорания для транспортных средств, гидродвигателя, пневмодвигателя.
Известен роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий два цилиндра с общей осью и эксцентрично расположенные в них два ротора с четырьмя радиально выдвижными лопатками, в которых выполнено по два гнезда для концов распорных стержней с пружинами, роторами, а в цилиндрах образовано по четыре рабочих полости (аналог - патент США №3858559).
Недостатком изобретения является то, что функции цилиндров разграничены. Это приводит к тому, что детали цилиндра нагнетателя в процессе работы будут холодными, а детали цилиндра двигателя из-за сплошного кольцевого пламени будут перегретыми. Одностороннее смещение ротора от оси цилиндров и вращение роторов в одну сторону приводит к усилению вибрации двигателя, обусловленной наличием выдвигающихся лопаток роторов.
Известна конструкция роторного двигателя внутреннего сгорания, содержащего два кинематически связанных ротора с разделением функций "всасывание-сжатие", "воспламенение-расширение-выпуск" между различными цилиндрами (аналог - патент США №4024840, МПК F02B 53/00, опубл. 1977).
Недостатком известного двигателя является сложность устройства кулисного механизма управления лопастями двигателя, наличие точечного контакта между лопастью и поверхностью цилиндра, а также невозможность установки опережающего зажигания, что делает двигатель неперспективным.
Известен способ работы роторного двигателя внутреннего сгорания, содержащего два ротора с выдвижными лопатками, образующими со щеками-золотниками полость нагнетания и полость двигателя, заключающийся в том, что в двигателе осуществляется четырехтактный цикл и при этом перекрестный перепуск сжатой и готовой к воспламенению рабочей смеси после такта сжатия, когда из полости нагнетания первого цилиндра осуществляется перепуск в полость двигателя второго цилиндра и, наоборот, из второго в первый (аналог-патент США №3951111).
Недостатком известного способа является то, что при перепуске из полости нагнетания в полость двигателя сжатой рабочей смеси снижается КПД такта сжатия. Кроме того, малая длина камеры сгорания (полости двигателя) и невозможность установки опережающего зажигания делают двигатель неперспективным.
Известен способ работы роторно-лопастного двигателя с двумя цилиндрами, работающего по двухтактному циклу с продувкой и наполнением полостей двигателя свежим зарядом, отличающийся тем, что осуществляют перекрестную продувку и наполнение свежим зарядом полостей двигателя за счет того, что полости нагнетания первого цилиндра продувают и наполняют полости двигателя второго цилиндра и одновременно полости нагнетания второго цилиндра продувают и наполняют полости двигателя первого цилиндра. И двигатель, содержащий последовательно включенные как по направлению, так и по количеству протекающего газа, секции нагнетания и расширения, с полостями, образованными поверхностями цилиндра и эксцентрично расположенного в нем ротора с лопастями, связанного с валом отбора мощности, причем лопасти закреплены шарнирно на оси цилиндра с возможностью касания внутренней поверхности цилиндра и его боковых щек и проходят через поворотные шарниры, расположенные в стенках ротора, а элементы, образующие полости секций нагнетания и расширения, кинематически связаны между собой (аналог-патент РФ № 2023185, МПК F02B 53/08, опубл. 1994).
Недостатком известного двигателя является то, что полости, выполняющие функции "всасывание-сжатие", "воспламенение-расширение-выпуск", попарно размещены в одних и тех же цилиндрах, а лопасти, их ограничивающие, расположены с одинаковым угловым расстоянием по образующей роторов. Это предопределяет равенство объемов полостей нагнетания и расширения. При этом давление выхлопных газов на выпуске из двигателя превышает критическое значение, его очистка происходит не оптимальным образом, и часть потенциальной энергии газов теряется, т.е. уменьшается тепловой коэффициент полезного действия (КПД).
Известные ротационные компрессоры со скользящими пластинами (лопастями) (см. И.М. Жумахов «Насосы, вентиляторы и компрессоры», М., «Углетехиздат», 1958 г., стр. 487-490) обычно состоят из цилиндрического корпуса (статора), в котором эксцентрично расположен ротор так, что поверхности цилиндрического статора и ротора образуют серповидное рабочее пространство. В теле ротора по радиусу наклонно в сторону движения имеются пазы, в которых располагаются тонкие пластинки из металла (лопасти). Лопасти при вращении ротора под действием центробежной силы выдвигаются из пазов. Лопасти делят серповидное пространство корпуса на отдельные камеры разных объемов. В верхней части цилиндра объем камер будет наибольшим, а в нижней - наименьшим. Цилиндрический корпус (статор) имеет всасывающее (впускное) и нагнетательное (выпускное) отверстия. При вращении ротора объем камер увеличивается, давление в них падает, и через всасывающее отверстие в них поступает рабочее тело. При дальнейшем вращении ротора камеры в верхней части разъединяются с всасывающим отверстием, их объем уменьшается, и происходит сжатие рабочего тела, которое выходит через выпускное отверстие. После этого вновь происходит расширение рабочего тела до тех пор, пока камеры вновь не начнут сообщаться с впускным отверстием. Таким образом, за один оборот ротора происходит: всасывание, сжатие, нагнетание и расширение рабочего тела.
Роторно-лопастные компрессоры имеют небольшой вес, обладают простотой конструкции, малой металлоемкостью, технологичностью и равномерностью работы. Однако каждая пластина (лопасть) при вращении прижимается к внутренней части цилиндрического статора под действием центробежных сил, и из-за их трения происходит быстрый износ внутренних частей двигателя. Это вызывает необходимость ограничения числа оборотов двигателя до 900 об/мин.
Известен роторно-лопастной двигатель (см. патент США №5596963, М. кл. F01C 11/00, F02B 53/02, F02B 55/14, F02B 75/02, F02B 55/00, F02B 53/00, опубл. 28.01.1997 г.), содержащий установленные на параллельных валах первый и второй цилиндрические роторные компрессоры и роторные моторы. При этом роторы имеют по одной роторной лопасти, установленной диаметрально в торцевых пазах соответствующего ротора и выполненной с возможностью свободного скользящего перемещения в прорезях ротора при его вращении. Роторный компрессор и роторный мотор имеют в статорах впускные и выпускные клапаны (отверстия) для впуска горючей смеси и выпуска отработанных газов соответственно. При этом каждая из лопастей выполнена из двух частей, соединенных между собой пружиной и расположенных в торцевых прорезях соответствующего ротора. Такая конструкция лопастей снижает действие на них центробежных сил и, как следствие, снижает давление на внутреннюю поверхность статора, снижая износ внутренних частей двигателя.
Однако сложность конструкции лопастей и конструкции двигателя в целом (наличие двух компрессоров, моторов, клапанов, валов, шестеренок) приводит к ненадежности двигателя при его эксплуатации.
Известен роторно-лопастной двигатель - насос, содержащий статор цилиндрической формы, в котором эксцентрично расположен ротор таким образом, что они образуют серповидное рабочее пространство, при этом устройство имеет впускное и выпускное отверстия, а ротор снабжен, по меньшей мере, одной лопастью, расположенной диаметрально в его торцевых пазах, отличающийся тем, что лопасть выполнена сплошной, с возможностью продольного перемещения в торцевых пазах ротора, выполненных сквозными (прототип - полезная модель №65976 от 27.03.2007, F02B 53/00, F02B 55/00, F01C 3/00).
Основные недостатки прототипа.
Недостатками прототипа являются следующие важнейшие характерные особенности:
- При наличии сложной механической работы, совершаемой лопастью внутри ротора, отсутствует упоминание о возможности и (или) необходимости интенсивного отвода тепла от этого узла и способ осуществления этого охлаждения. Прототип не содержит решений интенсивного отвода тепла.
- Описанный принцип необходимости увеличения количества лопастей для двигателя и уменьшения для гидро- и пневмоприводов не отвечает действительному математическому принципу соотношения площадей в пересекаемых прямой линией окружностях, которой является заявляемая сплошная лопасть. Прототип не эффективно использует количество лопастей.
- Критикуя принцип касания в патенте-прототипе, автор оставляет тот же принцип в предлагаемой конструкции, усугубляя и усложняя в вариантах исполнение подпружиненной лопасти. Прототип не устраняет недостатков, присущих принципу касания лопастей корпуса.
- Соотношение диаметра ротора и корпуса, положение входного и выходного окна является определяющим в эффективности. Эффективность, заявляемая автором, не подтверждается математически и поэтому не определена в описании. Прототип не использует полностью потенциал объема роторной машины.
Общим недостатком вышеприведенных способов и устройств для их реализации является недостаточное использование всех возможностей комплексной взаимосвязи процессов преобразования энергии потоков рабочего тела, не используется возможность организации многоконтурной системы распределения потоков для преобразования, частично используется объем камер корпуса цилиндра и ротора, и поэтому недостаточно эффективны.
Для использования всех возможностей были изучены основные зависимости всех составляющих потерь, которые позволяют полным образом использовать роторно-лопастной принцип при преобразовании энергии потока в механическую энергию вращения. Приоритетными законами для данного преобразования энергии принимаются гидравлические, но используются для достижения эффекта с учетом тепловых, механических и физико-химических процессов.
Задача, решаемая изобретением - повышение эффективности (по сравнению с рассмотренными аналогами и прототипом) использования единицы энергии потока с получением большего количества механической энергии при работе в режиме двигателя или гидропривода, и получение более высоких параметров с увеличенными энергетическими характеристиками потока при работе в режиме, например, насоса или компрессора, за счет оптимизации основных процессов - гидравлических, тепловых, механических и физико-химических.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе работы роторно-лопастной машины, заключающемся в преобразовании энергии рабочего тела в энергию механического вращения вала и/или придания дополнительной энергии потоку рабочего тела, согласно изобретению используют более чем один контур движения потока с возможностью вывода потока из каждого контура для промежуточного преобразования потока и возврата потока для дальнейшего преобразования.
Обеспечивают регулируемое последовательное или параллельное протекание гидравлических, и/или тепловых, и/или механических, и/или физико-химических процессов в контурах роторно-лопастной машины.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе работы роторно-лопастной машины, заключающемся в преобразовании энергии рабочего тела в энергию механического вращения вала и/или придания дополнительной энергии потоку рабочего тела, согласно изобретению используют не менее одного контура содержащего охлаждающее тело, и воздействуют на протекание тепловых процессов другого контура роторно-лопастной машины и/или внешних агрегатов, при этом создают дополнительный гидравлический эффект для увеличения момента вращения элементов роторно-лопастной машины.
Технический результат от использования всех существенных признаков заявленных вариантов способа работы роторно-лопастной машины за счет оптимизации основных процессов - гидравлических, тепловых, механических и физико-химических - заключается в значительном повышении эффективности использования единицы энергии потока с получением большего количества механической энергии при работе в режиме двигателя или гидропривода и получении более высоких параметров с увеличенными энергетическими характеристиками потока при работе в режиме, например, насоса или компрессора.
Использование более чем одного контура движения потока (например, двух контуров) с возможностью вывода потока из каждого контура для промежуточного преобразования потока и возврата потока для дальнейшего преобразования позволяет оптимизировать основные процессы - гидравлические, тепловые, механические и физико-химические, что приводит к повышению эффективности использования единицы энергии потока с получением большего количества механической энергии при работе в режиме двигателя или гидропривода, или получению более высоких параметров с увеличенными энергетическими характеристиками потока при работе в режиме, например, насоса или компрессора.
Использование не менее одного контура, содержащего охлаждающее тело, и воздействие посредством использования второго контура на протекание тепловых процессов первого контура роторно-лопастной машины и\или внешних агрегатов позволяет создать дополнительный гидравлический эффект для увеличения момента вращения элементов роторно-лопастной машины, позволяет оптимизировать основные процессы - гидравлические, тепловые, механические и физико-химические, что приводит к повышению эффективности использования единицы энергии потока с получением большего количества механической энергии при работе в режиме двигателя или гидропривода или получению более высоких параметров с увеличенными энергетическими характеристиками потока при работе в режиме, например, насоса или компрессора.
Поставленная задача решается за счет того, что в роторно-лопастной машине, содержащей корпус машины, эксцентрично расположенный в нем ротор и лопасти, проходящие через отверстия в стенках ротора, между внутренней поверхностью корпуса, ротором и лопастями образованы последовательно включенные по направлению потока полости, образующие первый контур с впускным и выпускным отверстиями, согласно изобретению, по крайней мере, один ротор выполнен в виде полого элемента с образованием по крайней мере одного второго контура с полостями, образованными внутренней поверхностью ротора, и лопастями, связанными с валом, которым служит ось ротора, в торцевой части корпуса выполнены впускное и выпускное отверстия второго контура, а контуры или отдельные их полости выполнены с возможностью взаимодействия между собой.
Лопасти проходят через поворотные шарниры, установленные в стенке ротора.
Ротор имеет вал отбора мощности.
Между корпусом и ближайшим ротором, между роторами, между последним ротором и осью вращения лопастей установлены минимальные зазоры.
Корпус и ближайший ротор, смежные роторы, последний ротор и ось вращения лопастей установлены с минимальным касанием, но без прижимающего усилия.
Корпус и роторы могут быть выполнены в виде цилиндров предпочтительно.
Корпус и роторы имеют овальное поперечное сечение в вариантах.
Технический результат от использования всех существенных признаков, заявленного устройства, заключается в обеспечении значительного повышения эффективности использования единицы энергии потока с получением большего количества механической энергии при работе в режиме двигателя или гидропривода, и получении более высоких параметров с увеличенными энергетическими характеристиками потока при работе в режиме, например, насоса или компрессора.
За счет выполнения, по крайней мере, одного ротора в виде полого элемента с образованием по крайней мере одного второго контура с полостями, образованными внутренней поверхностью ротора, и лопастями, связанными с валом отбора мощности, которым служит ось корпуса, наличия в торцевой части ротора впускного и выпускного отверстий второго контура, и возможности взаимодействия контуров или отдельных их полостей между собой обеспечивается значительное повышение эффективности использования единицы энергии потока с получением большего количества механической энергии при работе в режиме двигателя или гидропривода, и получении более высоких параметров с увеличенными энергетическими характеристиками потока при работе в режиме, например, насоса или компрессора.
Задача решена за счет комплексного увязывания тепловых, механических и физико-химических процессов, сопровождающих воздействие материального потока на многоконтурное роторно-лопастное устройство, сдвига фаз с выбором предпочтения преобразования названных процессов, увеличением степени разрыва потока при преобразовании, увеличением пути преобразования за счет более полного использования пространства преобразования, увеличением площади теплообмена за счет более полного использования площади устройства.
Устранение перечисленных недостатков роторных двигателей выполнено за счет следующих изменений:
- В схеме потоков организованы не менее двух контуров циркуляции, позволяющие сообщением между ними регулировать необходимые производительность и напор, а также использовать их как независимые контуры при необходимости отвода тепла из зоны работы контура.
- Каждый из контуров может быть первым по ходу движения потока, а также при независимом использовании контуров, по каждому из контуров может перемещаться рабочий или теплоотводящий поток.
- В конструкции роторно-лопастной машины соблюдены минимальные зазоры вплоть до касания между корпусом и ближайшим ротором, между роторами, между последним ротором и осью вращения лопастей.
- В силу ограничения соотношения диаметров рабочих пространств (стремящегося предпочтительно от 0,5:1 до 1:1 внутреннего к внешнему при использовании наиболее простого варианта жесткой лопасти неизменной длины), предпочтительно прямые процессы преобразования, связанные с расширением, производить от внутреннего, меньшего по объему контура к внешнему контуру, большему по объему, тогда увеличение рабочей полости позволяет совершать работу с максимальной отдачей расширяемого газа или снижаемого давления жидкости. Обратные процессы, связанные со сжатием газа или поднятием давления жидкостей, предпочтительно организовывать от внешнего контура к внутреннему, что позволяет максимально сжать газ или поднять давление жидкости.
- Вал крепления лопастей в вариантах выполняется подвижным и позволяет снимать с него при необходимости часть мощности при использовании машины как движителя. Этот же вал может быть неподвижным или вообще отсутствовать при организации движения лопастей по направляющей в корпусе или при внешнем креплении лопастей к ротору.
- Количество лопастей может меняться от одной до неограниченного количества для условия использования максимального момента вращения на валу. При использовании одной лопасти необходимы меры стабилизации противоположенной части внутреннего вращающегося ротора лопасти для балансировки вращения ротора.
- Для требований достижения максимально высокого коэффициента полезного действия возможно использование контуров последовательно, с промежуточной обработкой потока между контурами для охлаждения, впрыска смазывающих агентов, отвода конденсата и других необходимых операций.
- Для химически агрессивных, механически загрязненных, опасных по взрыву и пожару сред предусматривается изготовление специальных покрытий или материалов корпусов, втулок, валов и устройство сальниковых или торцевых уплотнений.
- Скорость вращения ротора выбирается из условий сопоставимой с аналогами по характеристике времени безаварийного ресурса работы в выбранных условиях, которая не должна быть ниже, чем у аналогов.
- Отвод избыточного тепла преобразования энергии организуется через проточные каналы в корпусе, роторах, лопастях, камерах подшипниковых узлов использованием основного и вспомогательных потоков.
- Один из валов, предпочтительно дополнительный, может быть использован как вал вспомогательного механизма и внешних вспомогательных агрегатов. Это могут быть генераторы электрической энергии, системы нагрева и охлаждения потока или вспомогательных функций для салонов и подсобных помещений использования РЛМ.
- Контур может иметь секции по ходу преобразования, служащие для нагрева или охлаждения основного преобразования используя вспомогательный поток (масла, незамерзающей жидкости, инертного газа), в этом случае секция контура или весь контур участвует опосредованно в работе преобразования энергии основного потока.
- Входящий или выходящий потоки могут быть стабилизированы использованием такого же рода роторных машин, располагаемых на этом же валу или на отдельных валах по требованию к механизму или подключаемых последовательно и(или) параллельно к преобразуемому потоку до входа или после выхода.
Таким образом, достигается и дополнительный технический результат от использования изобретения, заключающийся в расширении номенклатуры используемых двигателей, компрессоров, редукторов, насосов, движителей газовых и жидкостных, дозаторов.
Изобретение поясняется приведенными чертежами.
Фиг. 1 - вариант исполнения РЛМ с одной лопастью. Пунктиром показаны положения лопасти и шарнира в наиболее ответственных положениях, где: 1 - корпус, 2 - ротор, 3 - лопасть, 4 - шарнир, 5 - патрубок окна входа среды в контур между ротором и корпусом, 6 - патрубок окна выхода среды из контура между ротором и корпусом, 7 - внутренняя поверхность полого ротора, 8 - вал втулок лопастей, 9 - окно входа среды в контур между втулкой лопастей и внутренней поверхностью ротора, 10 - окно входа среды в контур между втулкой лопастей и внутренней поверхностью ротора, А, Б, С, Д - полости контура между ротором и корпусом, А1, Б1, С1, Д1 - полости контура между втулкой лопастей и ротором, I, II, III - положение шарнира и лопасти во время вращения ротора. Заштрихованы эффективно используемые полости контуров.
Фиг. 2 - вариант исполнения РЛМ с двумя лопастями. Пунктиром показаны положения лопастей и шарниров в наиболее ответственных положениях, где: 5 - патрубок окна входа среды в контур между ротором и корпусом, 6 - патрубок окна выхода среды из контура между ротором и корпусом, 1/1 - положение первой лопасти двухлопастного варианта машины, соответствующее максимальному объему полости в контуре между ротором и корпусом. Лопасть проходит кромку окна 5, 1/2 - положение второй лопасти двухлопастного варианта машины, соответствующее максимальному объему полости в контуре между ротором и корпусом, 2/1 - положение первой лопасти двухлопастного варианта машины, соответствующее максимальному объему полости в контуре между втулкой лопасти и ротором. Лопасть проходит кромку окна 9, 2/2 - положение второй лопасти двухлопастного варианта машины, соответствующее максимальному объему полости в контуре между втулкой лопастей и ротором. Заштрихованы эффективно используемые полости контуров.
Фиг. 3 - вариант исполнения РЛМ с тремя лопастями. Пунктиром показаны положения лопастей и шарниров в наиболее ответственных положениях.
Фиг. 4 - трехлопастной роторно-лопастной двигатель с указанием последовательности работы полостей (секторов) внешнего и внутреннего контура; 1К, 2К, 3К, 4К - полости внешнего контура между ротором и корпусом, преобразующие энергию потока топливно-воздушной смеси в энергию вращения лопастей и ротора; 1, 2, 3 - полости внутреннего сектора, преобразующие одновременно энергию вращения ротора и лопастей в энергию потока жидкости, перемещающейся по внутреннему контуру.
Фиг. 5 - двухлопастной РЛД с указанием секторов преобразования в работе и шести последовательных пронумерованных положений (1-6 позиций для каждой лопасти, обозначения на месте расположения шарнира в круге) шарниров каждой из лопастей, занимаемых за половину оборота вала ротора, где: 1 - корпус, 2 - ротор, 3 - лопасть, 5 - патрубок окна входа среды в контур между ротором и корпусом, 6 - патрубок окна выхода среды из контура между ротором и корпусом, 7, 8 - вал втулок лопастей, 11 - свеча зажигания.
Фиг. 6 - вариант с четырьмя контурами двухлопастного роторно-лопастного двигателя с указанием предпочтительных мест размещения патрубков входа и выхода контуров на радиальной и торцевой поверхности корпуса.
Фиг. 7 - схема патрубков для однолопастной роторно-лопастной машины-насоса.
Фиг. 8 - схема патрубков для двухлопастного роторного насоса.
Фиг. 9 - схема патрубков для трехлопастного роторного насоса.
Фиг. 10 - работа однолопастной машины только по внешнему контуру насоса.
Фиг. 11 - работа насоса с одной лопастью для двух контуров.
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Роторно-лопастная машина на Фиг. 1 содержит корпус 1 машины с эксцентрично расположенным в нем ротором 2 и лопастями 3. Между внутренней поверхностью корпуса 1 и ротором 2 образованы последовательно расположенные и включенные по направлению потока полости, составляющие вместе сектор, образующие секции впуска А, сжатия Б, преобразования С и выпуска Д, лопасти 3 проходят через отверстия в шарнирах 4 в стенках ротора 2. Машина имеет впускное окно 5 и выпускное окно 6, полости А, Б, С, Д образуют первый контур. По крайней мере, один ротор 2 выполнен в виде полого элемента, с образованием, по крайней мере, одного второго контура с полостями, А, Б, С, Д, образованными внутренней поверхностью 7 ротора 2 и лопастями 3, связанными с валом 8, которым служит ось корпуса. Контуры А, Б, С, Д, A, Б, С, Д или отдельные их полости имеют возможность взаимодействия между собой. Второй контур A, B, С, Д, образованный в роторе 2, снабжен впускным окном 9 и выпускным окном 10, выполненными на торцевой поверхности ротора 2 через крышку корпуса 1.
1
1
1
1
При преобразовании энергии вращения вала в энергию потока, усилие вращения двигателя передается ротору 2, ротор поворачивает стенками через шарниры 4 лопасти 3. Лопасти 3 совершают работу перемещения рабочей среды из окна входа 5 к окну выхода 6 в контуре, состоящем из полостей А, Б, С, Д, одновременно в контуре, состоящем из полостей A, B, C, Д, лопасти 3 совершают работу перемещения рабочей среды из окна входа 9 к окну выхода 10.
Первым и самым значительным в данном изобретении фактором, влияющим на возможность передачи энергии, выделен не тепловой, а гидравлический фактор преобразования, который несет ответственность за использование определенного момента вращения в данном механизме.
Вторым важнейшим моментом для гидравлического потока является количество лопастей 3, используемых при организации потока. С учетом требования достижения максимального конструктивного использования объема полостей контура это будет одна лопасть, позволяющая иметь минимальные потери объемов. Увеличение количества лопастей снижает возможности использования объема контура по конструкции окон входа и выхода для гидравлического потока, но увеличивает количество тактов за оборот и общую величину потока. Оптимальным практическим количеством используемых в двигателе должны быть две или три лопасти. Оптимальным количеством лопастей для насоса должны быть от одной до четырех.
Третьим важнейшим моментом организации гидравлического потока является возможность в данной конструкции ввода и вывода гидравлического потока в контура с боковых и торцевой поверхности, что дает преимущество по отношению к другим конструкциям и его также необходимо использовать.
Коренное отличие обоснования действия гидравлического потока в контуре заключается в том, что этот контур не единственный, работа других контуров, которые в отношении гидравлического потока будут иметь те же зависимости и решительным образом влиять на работу этого контура.
Кроме этого, основные зависимости работы машины пропорциональны не объемам, а площадям сечений пространств, определяемых количеством лопастей. Динамический момент пропорционален расстояниям между центрами ротора и корпуса.
По количеству контуров машина может быть двухконтурной или многоконтурной.
Машина может быть исполнена в зависимости от назначения, используемой среды, направления преобразования, с одной лопастью или множеством лопастей.
1
1
1
1
1
1
1
1
При работе двух контуров для варианта использования одной лопасти 3 достигается максимальный эффект использования площади сечения цилиндра корпуса 1 и цилиндра ротора 2, и максимальный путь проходящих через образованные ими контуры А, Б, С, Д и A, Б, С, Д для рабочего тела - жидкости или газа, преобразование энергии которых осуществляется. Вращаясь против часовой стрелки, вокруг оси 8 (см. фиг. 1), связанной с корпусом 1, лопасть 3 совершает работу преобразования во внутреннем контуре A, Б, С, Д от точки I до точки III с потоком №2, а во внешнем контуре, пройдя неэффективное расстояние между патрубками входа и выход потока №1 в точке II, двигаясь далее к точке III и точке I, эта же лопасть совершает работу преобразования с потоком №1 (см. фиг. 1).
В цикле работы двигателя по Фиг. 1 полость А, в соответствующем положении лопасти 3 в точке III, наполняется рабочей смесью за счет увеличения объема камеры между движущейся лопастью и окном 5 входа. В вариантах горючая смесь в этой полости может быть предварительно сжата или находится под разрежением. В этой же полости инициируется искра, газ расширяется, занимая полости А и Б, и перемещает лопасть в направлении вращения. В конце полости Б отработанный газ выводится из контура после снижения давления до расчетной величины. В полости С организуется продувка свежим воздухом, в полости Д за счет снижения объема происходит сжатие воздуха для нужд продувки и образования топливной смеси за счет уменьшения объема камеры между движущейся лопастью и окном выхода 6. На Фиг. 1 не указаны патрубки выхода потоков отработанных газов, входа продувочного воздуха и возврата воздуха в контур. После прохождения лопасти положения II цикл повторяется.
Работа данного устройства в режиме насоса или компрессора по Фиг. 1 осуществляется аналогично существующим объемным устройствам такого класса. В полости А, когда лопасть находится в положении III, в силу возникающего разрежения, создаваемого движущейся лопастью между окном входа 5 и лопастью за счет увеличения объема, одновременно перед лопастью в связи с уменьшением объема между лопастью и окном выхода 6 текучая среда последовательно перемещается из полости Б в полость С, из полости С в полость Д и далее в окно выхода 6.
Выше описана работа только основного внешнего контура. Принцип работы второго по Фиг. 1 контура такой же, как и у первого контура. Второй контур в силу торцевого ввода 9 и вывода 10 потока через окна предпочтительно использовать для вспомогательных целей.
1
1
1
1
Для улучшения работы РЛМ второй контур A, B, С, Д может использоваться для перекачки масла и последующего его охлаждения вне машины, с возвратом охлажденного масла обратно в цикл смазки и охлаждения. Взаимодействие двух контуров существенно повышает характеристики устройства. Взаимодействие двух контуров существенно повышает характеристики устройства по целевому потоку в первом контуре.
На Фиг. 2 представлена зависимость эффективности РЛМ при работе двух контуров для варианта использования двух лопастей. В этом случае достигается уже меньший эффект использования площади сечения цилиндра корпуса и цилиндра ротора, и меньший путь проходящих через образованные ими контуры для рабочего тела - жидкости или газа, преобразование энергии которых осуществляется. Вращаясь против часовой стрелки, вокруг оси корпуса лопасти совершают работу преобразования во втором (внутреннем) контуре от точки 2/1 до точки 2/2 с потоком №2, а в первом (внешнем) контуре, пройдя неэффективное расстояние между патрубками входа и выхода, двигаясь далее от точки 1/1 к точке 1/2, эти же лопасти совершают работу преобразования с потоком №1. Как видно из приведенной на Фиг. 2 схемы, заштрихованные области эффективной работы переноса для контуров уменьшились по сравнению с использованием контуров на Фиг. 1. Но для схемы на Фиг. 2 за один оборот две лопасти совершают два такта и поэтому производительность в целом вырастет.
На Фиг. 3 представлена зависимость эффективности РЛМ при работе двух контуров для варианта использования трех лопастей. В этом случае достигается еще меньший эффект использования площади сечения цилиндра корпуса и цилиндра ротора, и меньший путь проходящих через образованные ими контуры для рабочего тела - жидкости или газа, преобразование энергии которых осуществляется. Вращаясь против часовой стрелки, вокруг оси, связанной с корпусом, лопасти совершают работу преобразования во внутреннем корпусе с потоком №2, а во внешнем контуре эти же лопасти совершают работу преобразования с потоком №1. Каждые 120 градусов поворота ротора лопасти будут менять свой такт в работе, как во внутреннем, так и во внешнем контуре. Но для схемы на Фиг. 3 за один оборот три лопасти совершают три такта и поэтому производительность вырастет относительно варианта на Фиг. 2
Для сравнения между собой эффективности работы машины с одинаковым соотношением внешнего диаметра ротора и диаметра корпуса Фиг. 1, 2, 3 показываются с главными положениями лопастей, отвечающими за максимальный объем переносимого рабочего тела между лопастями и патрубками входа.
На Фиг. 4 изображена схема камер двигателя внутреннего сгорания для варианта трехлопастной машины с касанием ротора и корпуса и ротора и оси лопастей. В этом случае во внешнем корпусе в камере 1к подготовлена топливно-воздушная смесь и происходит инициация взрыва, в камере 2к расширение и сброс отработанных газов, в камере 3к готовится новая порция потока воздуха, в камере 4к заканчивается подготовка сжатого воздуха. Задача данного преобразователя принять поток воздуха и поток топлива в объемном соотношении примерно 16:1 для бензина (или 20:1 для газа метана) через камеру 3к и камеру 4к соответственно, поднять давление в камере 4к до приемлемого по прочностным характеристикам корпуса и ротора, передать в камеру 1к без гидравлических потерь и в требуемом количестве, произвести увеличение энергии в камере 2к инициацией взрыва и снять механическую энергию с вала, соединенного с ротором, вывести отработанные газы из контура преобразования. С учетом необходимости отвода значительного количества тепла из рабочего пространства камер 4к (работа сжатия), 2к (работа взрыва) внутренний контур используется для циркуляции масла, обеспечивающего функцию охлаждения ротора, лопастей, подшипников, вывода прорывающегося через уплотнения газа, смазки всех трущихся деталей. Проходя последовательно камеры 3, 2, 1, масло нагревается, насыщается газом, сжимается до необходимого давления, регулирующего содержание газа в масле, выводится из внутреннего контура. После охлаждения и сепарации во внешнем агрегате масло возвращается в камеру 3 для продолжения циркуляционного цикла. Внешняя часть корпуса, граничащая с камерами 4к и 2к, при необходимости может быть оснащена рубашкой охлаждения для более интенсивного отвода тепла этим же теплоносителем или независимым (воздушное или водяное охлаждение). Введение в преобразователь источника энергии непосредственно в поток, что характерно для двигателей внутреннего сгорания, требует решения задачи с учетом назначения двигателя и вариантов размещения окон входа и выхода, места подачи топлива, количества лопастей и соотношения диаметров ротора и корпуса предполагает большое количество вариантов использования метода.
Зависимость для работы преобразователя энергии данного вида показана на примере трехлопастного двигателя при использовании только основного контура. Дополнительный контур в этом случае работает на охлаждение лопастей и создает реактивную силу для увеличения момента вращения ротора.
Внутренний вращающийся ротор совмещен до касания с внутренней поверхности корпуса. При этом лопасти, размещенные на валу, совершают относительно этого вала непрерывное вращательное движение, а в направляющих втулках вращающегося ротора они совершают возвратно-поступательное движение, оказываясь полностью утопленными в точке соприкосновения ротора и корпуса. В противоположенной точке диаметра вращающегося корпуса ротора лопатки оказываются полностью выдвинутыми из корпуса ротора. Точку касания вращающегося ротора и корпуса назовем «верхней мертвой точкой» (ВМТ), что соответствует отчасти положению лопастей, когда бы взрыв между двумя ближними симметрично близкими к этой точке лопастями, или между одной лопастью и точкой касания не приводит к возникновению крутящего момента. Предпочтительно взрыв во времени провести в такой период, когда максимально передается работа расширяющихся газов и превращается в получаемый эффект преобразования энергии. В зависимости от выбранного режима снятия нагрузки и количества оборотов точка начала инициации взрыва располагается в верхней правой части рассматриваемой РЛМ, причем окончание реакции окисления предпочтительно завершить до 25-30 градусов поворота рабочей лопасти от «верхней мертвой точки». Зона, в которой произошел взрыв, заключенная между двумя лопастями (или между одной лопастью и ВМТ), называется зоной взрыва. Лопасть, оказавшаяся первой по ходу вращения лопастей, является рабочей лопастью, а лопасть, следующая по ходу за рабочей, работает в обратном направлении, называется нерабочей. После зоны взрыва происходит превращение энергии сжатого рабочего тела между двумя лопастями с одновременным расширением в «зоне расширения». При этом отличие в работе зоны взрыва и зоны расширения в том, что в первой происходит воздействие на рабочий вал большим давлением при малом рычаге, а во второй - пониженным давлением при большом рычаге. В момент, когда нерабочая лопасть оказывается в зоне 90 градусов от ВМТ (или ноль градусов в направлении оси вращения), она прекращает функцию противодавления полностью. В момент, когда рабочая лопасть достигает точки 180 градусов от ВМТ, она прекращает функцию рабочей лопасти. Настоящее деление функций условно в связи с отсутствием значений инерционных и импульсных составляющих и нужны только для пояснения работы машины.
Сжатое рабочее тело, находясь между двумя движущимися во вращательном движении лопастями, давит на две лопасти (рабочую и не рабочую) и расположенный между ними вращающийся ротор, причем площадь рабочей лопасти всегда больше не работающей лопасти, а вращающийся ротор сдвинут в сторону ВМТ на величину разницы диаметров ротора и корпуса, то есть дополняет в положительную сторону площадь вращения вокруг неподвижного вала. По окончании цикла расширения рабочее тело выводится из зоны (на выхлоп) расширения и заменяется воздухом, засасываемым полостью между рабочей лопастью и ВМТ или нагнетаемым потоком под давлением принудительно (в вариантах). Далее цикл повторяется. В зависимости от организации отвода тепла из зоны взрыва и количества лопастей, рабочими могут быть каждая лопасть, через лопасть, через две лопасти и так далее, при этом цикл сжатия соответствующей после рабочей полости может быть исключен организацией принудительного сообщения с необходимой зоной работы для повышения КПД машины.
Принцип работы дополнительного контура такой же, как у внешнего контура, но точкой максимального сжатия будет противоположенная верхней мертвой точке сторона, расположенная между двумя лопастями.
Для улучшения работы РЛМ дополнительный контур может использоваться для перекачки масла и последующего его охлаждения вне машины, с возвратом охлажденного масла обратно в цикл смазки и охлаждения. При использовании РЛМ на больших мощностях дополнительное охлаждение осуществляется с наружной стороны корпуса. В случае использования одной лопасти или лопастей внешнего крепления к вращающемуся корпусу ротора, потоки могут быть организованы любым из традиционных методов.
Для двигателя внешнего сгорания более эффективны трех-, двух- и однолопастные преобразователи энергии с одним или двумя контурами, являющиеся в этом случае прямыми преобразователями энергии потока в энергию механического вращения без организации сжигания топлива внутри преобразователя. В этом случае снижается нагрузка по теплу на основные детали устройства и возможно уменьшение соотношения диаметра ротора и корпуса, что ведет к увеличению эффективности использования рабочего пространства. Кроме этого при невысоких нагрузках внутренний контур используется параллельно или последовательно в преобразовании потока, а циркуляция смазывающего масла может осуществляться внешними агрегатами. При таком использовании роторно-лопастной машины схема организации потоков в контурах может иметь несколько вариантов.
На Фиг. 6 изображен вариант машины с несколькими контурами. Лопасти в этом случае могут иметь общую ось или быть разделены на группы, когда две лопасти крепятся к второму ротору с наружной стороны, организовывая пространство работы преобразования первого и второго контуров, а другие лопасти (не обязательно две) крепятся к оси внутри четвертого контура или к тому же ротору, что и первые две лопасти, но с внутренней стороны этого же ротора. Количество роторов значительно усложняет конструкцию, увеличивает механические и массообменные потери, незначительно увеличивают эффективное сечение использования машины. Такой вариант использования приемлем для задач одновременного дозирования жидкостей и газов, допускающих или предполагающих смешение, при параллельном использовании всех контуров.
В разрезе показаны потоки дополнительного и основного контуров для цилиндрического исполнения корпуса и ротора. Принципиально корпус и ротор могут иметь другую форму в сечении, например, овальную, что определяется необходимым соотношением объемов перекачиваемых потоков между собой и параметрами потоков, определяющими прочность корпусов и возможность обеспечения уплотнений.
При организации потока в режиме двигателя внутреннего сгорания для улучшения режима горения может быть с одной или несколькими свечами зажигания, работающими для режима оптимизации потока.
Предлагаемое трехлопастное решение позволяет теоретически поднять момент вращения с 10-12 кгс/м до 20-25 кгс/м, а при исключении потерь до минимума и использовании возможности наддува до 35-40 кгс/м на валу ротора вращения. При этом в соответствии с требуемой скоростью вращения она не превысит 1500 оборотов в минуту, что равно необходимой скорости вращения автомобильного колеса. Другими словами вопрос применения традиционной коробки передач (с 3500-4000 оборотов в минуту до 1500) в данном случае может быть пересмотрен с учетом получаемых новых свойств машины. Метод позволяет регулировать скорость вращения в широких пределах при высоком моменте вращения, большем по величине, чем в применяемых сегодня двигателях.
В настоящем трехлопастном варианте предусматривается непрерывный поток масла в теле каждой лопасти, для отвода от лопасти тепла реакции горения, что обеспечивает неизменность линейных размеров и свойств материала, из которого изготовлена лопасть. В этом же варианте организован поток масла внутри вращающегося корпуса для отвода тепла от него и от направляющих уплотняющих втулок для лопастей.
В известных механизмах отсутствует возможность организации таких потоков, и поэтому их использование было ограничено таким условием.
Процесс горения необходимо рассматривать во всех стадиях происходящей реакции окисления как химической реакции, увеличения объема газа как теплового эффекта реакции горения, гидравлического эффекта перетекания рабочего тела в пространстве объема машины, механического эффекта импульсного воздействия на рабочие тела машины рабочим телом потока.
• Химическая реакция. Окисление происходит в условиях реактора с изменяющимся в процессе объемом, изменяющейся температуры, изменяющейся условий для перемешивания партнеров реакции окисления и продуктов реакции, наличия фазового перехода партнеров реакции и продуктов реакции. Результатом прохождения реакции должно быть полное превращение топлива в продукты горения в короткий промежуток времени преобразования, способствующее обеспечению эффективного преобразования гидравлических, тепловых и механических процессов.
• Механический импульс. В результате взрывного характера реакции механический импульс рабочего тела потока необходимо направить в сторону, благоприятствующую преобразованию энергии, когда механическое направление воздействия направлено в сторону перемещения рабочего тела потока.
• Гидравлические напор и скорость потока. Гидравлическое воздействие организованного потока рабочего тела на рабочие тела объемной машины преобразования должно быть направлено максимально в сторону преобразования в механическую энергию и минимально в сторону, препятствующую преобразованию.
• Процессы передачи тепла. Тепловое воздействие на рабочее тело потока в соответствии с требованием способа преобразования энергии должно быть в начальный период преобразования передано продуктам горения рабочего потока в большей степени, а рабочим телам устройства преобразования в меньшей степени, что должно способствовать цели преобразования энергии. В конечном периоде преобразования любые способы отведения тепла, не использованные для превращения энергии, реализуемые через скоростной вывод продуктов горения из преобразователя, через передачу тепла рабочим телам устройства преобразования с последующим отводом его из преобразователя способствуют увеличению эффективности преобразования в целевом направлении.
Отвод отработанных газов. После совершения работы в реакционном объеме отработанные газы выводятся рабочими телами устройства и на этот процесс также затрачивается энергия. В случае некачественного проведения химической реакции в период отведения отработанного газа продолжается горение и часть энергии топлива продолжает препятствовать целевому преобразованию. В случае преждевременного или запоздалого открытия выходного окна также снижается эффективность преобразования из-за увеличения гидравлических потерь. В случае несовпадения направления механического импульса или снижения его эффективности увеличиваются потери механического характера преобразования. В случае недостаточного использования тепла реакции растут потери теплового характера. Поэтому регулирование параметров рабочего тела потока при выведении его из устройства преобразования является также ответственным моментом преобразования.
Готовность способа к использованию всех перечисленных выше процессов на всех стадиях, в их качественном взаимодействии, возможности регулирования каждого из процессов в отдельности и регулирования взаимодействия процессов между собой, получение мультипликационного эффекта регулируемого воздействия процессов друг на друга для достижения цели преобразования, есть показатель эффективности способа по отношению к аналогам.
Ниже приведены примеры реализации способа придания дополнительной энергии потоку рабочего тела.
Необходимо помнить назначение насоса и ограничения, которые накладывает использование жидкости при преобразовании механической энергии вращения в энергию потока жидкости. Патрубок входа потока в насос и патрубок выхода потока из насоса будут располагаться непосредственно вблизи точки касания ротора и корпуса, что обеспечивает максимальный объем перекачиваемой жидкости для внешнего контура. При этом схема патрубков этого контура выглядит для рассмотренных вариантов так, как указано на фиг. 7, 8, 9.
В любой момент работы насоса, связанного с разрывом потока жидкости, должно соблюдаться правило одного открытого окна, когда жидкость или набирается в замкнутый объем через патрубок входящего потока, или выталкивается из этого объема через патрубок выходящего потока. Именно поэтому с увеличением количества лопастей и количества патрубков входа и выхода необходимо часть площади выводить на обеспечение этого правила и уменьшать эффективную площадь.
Такое же правило обеспечивается для среднего и внутреннего контуров, но подвод и отвод к ним жидкости осуществляется вдоль оси вращения вала, в то время как для внешнего контура всегда обеспечивается доступ как по оси вращения вала с обеих сторон, так и по цилиндрической части перпендикулярно оси вращения вала.
На фиг. 7, 8, 9 показаны одно, двух и трехлопастные машины-насосы, имеющие входные и выходные окна с соблюдением принципа постоянно открытого одного окна для одного внешнего контура. На схеме можно увидеть рост площади сечения окна входа при увеличении количества лопастей, что важно в части соблюдения эффективности использования объема каждого контура машины.
При работе однолопастной машины только по внешнему контуру работа насоса осуществляется следующим образом, показанным на фиг. 10.
Двигаясь в направлении вращения, лопасть создает перед собой напор, а до себя создает разрежение. В точке касания ротора и корпуса, обозначенной буквой «С», обеспечивается затвор между камерой входа и выхода. Расстояние от точки «А» до точки «В», проходимое лопастью в направлении указанного вращения, является эффективным путем лопасти. Площадь внешнего контура, образуемая между корпусом и ротором, заключенная между точками «А» и «В», является эффективной площадью использования внешнего контура. Произведение эффективной площади сегмента на высоту лопасти дает эффективный объем перекачки жидкости за один оборот одной лопастью. Поток жидкости, находящийся между точкой «А» и точкой «С», на схеме подвергаемый разрежению, заполняет через входное окно корпус во внешнем контуре. Поток жидкости, подвергаемый напору лопасти, от точки «А» через точку «В» и до точки «С» выталкивается в выходное окно.
Потери части жидкости, которая может попасть из камеры выхода в камеру входа через затвор «С», потери жидкости по периметру лопасти из области высокого давления в область низкого давления, являются характеристикой эффективности конкретного устройства, обусловленные техническими возможностями обеспечения той или иной заданной производительности и напора.
Таким же образом и в той же последовательности жидкость перекачивается во внутренних контурах, при этом вход в рабочую полость ротора предпочтительно осуществлять со стороны, обратной стороне подвода основной энергии для преобразования - энергии механического вращения. Затворной частью при этом будет являться точка касания внутренней цилиндрической поверхности ротора с «юбкой» оси вращения лопасти, или, в более сложном варианте, с внешней цилиндрической поверхностью еще одного контура. На фиг. 11 для случая работы насоса с одной лопастью и для двух контуров показана последовательность работы объемного насоса для внутреннего контура.
Поток жидкости, находящийся между точкой «А» и затвором в точке «С» при движении лопасти в сторону указанного вращения, подвергается воздействию разрежения, создаваемого увеличением объема окна входа при движении от точки «А» к точке «В», заполняет пространство ротора, находящееся за лопастью. Поток жидкости перед лопастью, находящийся в условиях напора и снижения объема при движении от точки «А» через точку «В» к точке «С», перекачивается в условиях созданного напора в направлении окна выхода. Окна входа и выхода на схеме заштрихованы по площади и обозначены прямыми стрелками направления потока, направление вращения обозначено круговой изогнутой стрелкой.
При работе машины с одной лопастью, как это видно из приведенных фиг. 10, 11, момент пересечения лопастью рабочего пространства окна входа и окна выхода не является производительным в случае отсутствия обратных клапанов на потоке входа и выхода в устройстве объемного перекачивания жидкости. В связи с этим для увеличения эффективности напора и (или) производительности конкретного устройства, если такая задача перед ним установлена, рассматриваются все потери и каждый вид потерь устраняется наиболее эффективным способом. Например, потери мощности холостого хода (время пересечения окон лопастью) можно снизить установкой обратного клапана как на магистрали перекачки вне корпуса устройства, так и вмонтированным в устройство клапаном. Потери перетока по площади продольного сечения лопасти можно устранить увеличением площади контакта и лабиринтными затворами по этой площади. Потери в затворах между стороной высокого давления и стороной низкого давления уменьшаются чистотой обработки поверхностей «касания», установкой лабиринтных затворов в этой точке «касания», организацией подвода уплотняющего потока к точке касания по каналам от вспомогательного контура и другими способами.
По выполненным расчетам, данный подход к технологии позволяет довести КПД до 65% в транспортном средстве при использовании традиционных топлив, и до 70% при применении современных чистых топлив. Предлагаемые настоящей работой решения позволяют в совокупном использовании нескольких полостей, работающих последовательно и параллельно добиться до 95% КПД роторно-лопастной машины.
Теоретические основания для проводимых испытаний и изготовления двигателя выглядят следующим образом.
Изменение площади камеры в период вращения (пример трехлопастного компрессора) происходит плавно и позволяет при невысоких оборотах решить перекачку потока эффективно малыми габаритами устройства.
3
Для всех видов машин (устройств), возможных к реализации настоящего способа, выполнены точные расчеты, позволяющие подтвердить осуществление метода в насосах, двигателях внутреннего сгорания, редукторах, компрессорах. Расчеты по насосам, редукторам и компрессорам проверены на лабораторном образце рабочим объемом камеры 50 см с соотношением диаметров ротора и корпуса 0,8, на степень сжатия до 6-кратной величины, мощность до 1 кВт*час, скорость вращения до 1000 оборотов в минуту, момент вращения на валу до 0,15 кг-м, сходимость расчетных величин и практических результатов удовлетворительная.
2
В настоящее время разработаны чертежи для изготовления компрессоров подкачки автомобильных колес (базовая мощность двигателя 0,1 кВт), заменяющих широко используемые поршневые компрессоры, отличающиеся более высокой производительностью в сопоставимых размерах с поршневым аналогом, или при той же производительности имеющие меньшие габариты (базовый внешний диаметр корпуса 50 мм). На данный компрессор разработаны техническое задание на изготовление и технические условия на изготовление, готовится линия для серийного производства таких колесных компрессоров. Основные характеристики: напор до 8 кгс/см; расход до 50 литров в минуту; напряжение питания двигателя 12 вольт; потребляемая мощность до 150 ватт; вес до 200 грамм с креплениями к двигателю; диаметр корпуса до 60 мм, высота корпуса до 50 мм. Фрагмент чертежа на фотографии.
2
Для более мощного варианта коммерческого компрессора (базовая мощность двигателя 4 кВт), предназначенного для станций технического обслуживания автомобилей и покрасочных камер, где также широко применяются поршневые компрессоры, разработаны технические условия для компрессора с базовым диаметр корпуса 150 мм. Основные характеристики: напор до 10 кгс/см; расход до 600 литров в минуту; напряжение питания 220/380 вольт; потребляемая мощность до 5 киловатт; вес до 5 килограмм с креплениями к двигателю; диаметр корпуса до 200 мм, высота корпуса до 150 мм. Фрагменты крышки и охлаждаемой лопасти трехмерной модели на фотографии.
Для двигателей внутреннего сгорания в соответствии с их назначением использования и мощности разработаны технические условия на изготовление и чертежи первых трех базовых типов с диаметрами 240, 300 и 360 мм, имеющие диапазон мощности от 5 до 150 кВт. Данные стендовых испытаний будут использованы для совершенствования конструкций и увеличения эффективности метода. Фрагменты полупрозрачной трехмерной модели мощностью до 30 кВт с редуктором на обычную коробку передач автомобиля и модели мощностью до 90 кВт без редуктора и верхней крышки на фотографии.
Разработаны эскизы движителя для малой авиации, предназначенного для обеспечения уверенного полета в режиме вертикального взлета, зависания и горизонтального движения на заданной высоте в среде воздуха нижнего слоя атмосферы. При габаритах роторного движителя диаметром 1500 мм, высотой 200 мм, скорости вращения до 1000 оборотов в минуту, ротор обеспечивает поток воздуха в 60 кг/сек, равноценный потоку пропеллерного вертолетного движителя с диаметром винта более 7000 мм и скоростью вращения 500 об/мин. Фрагменты концепции летательного аппарата (ЛА) с установкой роторных движителей, скомпонованных с роторными двигателями, на фотографии.
Перечисление многочисленных вариантов устройств, возможных к изготовлению с использованием описываемого изобретения, приведено для пояснения сложности выбора предпочтения в характерном исполнении для конкретного устройства: по моменту вращения; по количеству лопастей; количеству роторов; соотношению диаметров ротора (роторов) и корпуса; форме лопастей; интенсивности охлаждения лопастей, зон корпуса и ротора (роторов); месту размещения окон входа и выхода для контуров и вывода потоков для промежуточного преобразования вне машины; степени сближения ротора и корпуса; степени сближения оси лопастей и ротора; скорости вращения; последовательном, последовательно-параллельном или параллельным преобразовании потоков в контурах; количестве валов отбора или подвода мощности. В конечном итоге эти требования излагаются для каждого конкретного устройства в технических условиях на изготовление с учетом конкретной задачи для него. В настоящем описании целью является использование разных устройств для отображения отличительных признаков метода.
Роторно-лопастная машина как устройство состоит из корпуса, ротора со связанными с ним лопастями, и ротор вместе с лопастями имеет возможность вращаться внутри корпуса.
Преобразование энергии потока в энергию вращения вала предполагает поступление потока в устройство в пространство между ротором и корпусом для использования содержащейся в потоке энергии - потенциальной и кинетической - воздействием на лопасти, которые передают полученную энергию на вал корпуса и/или вал ротора. Сумма энергий, содержащаяся в потоке, используется эффективнее в случае увеличения гидравлического перепада до и после лопасти в максимально возможный для конструкции период вращения лопасти, когда путь преобразования может быть увеличен. Этому способствует решение по количеству используемых для преобразования контуров, по количеству лопастей, соотношению высоты и ширины лопасти, оптимальное расположение впускного и выпускного окон и их сечений. При снижении давления в случае использования избыточного давления потока газа происходит снижение температуры рабочего потока и часть энергии переходит в энергию охлаждения потока, снижая эффективность гидравлического эффекта. Если же фазу снижения температуры сдвинуть в конец фазы гидравлического воздействия на лопасть, то суммарное энергетическое преобразование в механическую энергию значительно увеличивается. Массообменные процессы в случае прямого преобразования очень важны для случаев использования РЛМ в качестве двигателя внутреннего сгорания. В этом случае в уже разорванный поток топливно-воздушной смеси добавляется энергия взрыва или детонации с изменением состава и параметров потока непосредственно в рабочем пространстве преобразования в части одного из контуров. Сдвигая во времени фазу основного массообменного процесса за счет времени инициации взрыва, давления начала инициации взрыва, метод позволяет провести химическую реакцию в полном объеме и в заданном временном периоде фазы массообменного преобразования. Механические процессы, происходящие при преобразовании, используются в более полном объеме за счет увеличения пути преобразования, направления преобразования и сдвига начала импульсного воздействия потока на лопасть в оптимальном направлении и при максимальной площади возможного ее использования. Количество лопастей, роторов и рабочих контуров выбирается в соответствии с достигаемым эффектом прямого преобразования при минимальной потере энергии на трение и минимальной сложности конструкции устройства. Количество валов, с которых снимается получаемая энергия вращения, может соответствовать количеству контуров, используемых для преобразования.
В случае преобразования энергии потока в энергию механического вращения, дополнительная энергия реактивной струи может быть использована для увеличения эффекта преобразования с получением дополнительного источника для силы вращения. В случае преобразования механической энергии вращения в энергию потока насосом или компрессором, реактивная сила может использоваться для снижения потребляемой энергии, что делает преобразование эффективнее.
Придание дополнительной энергии потоку предполагает преобразование имеющейся механической энергии вращения в энергию потока - потенциальную и кинетическую. Поток, попадающий в роторно-лопастное устройство через входное отверстие (отверстия), получает в одном или в нескольких контурах, параллельно или последовательно связанных в работе преобразования, получив энергию вращения, выходит через выходное отверстие (отверстия). В преобразовании газовых потоков, обладающих сжимаемостью, возникает необходимость сдвига фазы основной гидравлической работы по отношению к тепловой работе РЛМ для увеличения эффективности преобразования. Массообменные процессы также сдвигаются по фазе активного течения в сторону окончания фазы повышения температуры в газовых машинах, что позволяет достигать высоких характеристик напора и расхода. Механические процессы преобразования направляются в сторону выхода потока и минимизируются потери на трение. Количество лопастей, роторов и рабочих контуров выбирается в соответствии с достигаемым эффектом преобразования при минимальной потере энергии на трение и минимальной сложности конструкции устройства. Количество валов, к которым подводится имеющаяся энергия вращения, может соответствовать количеству контуров, используемых для преобразования.
Экономический потенциал использования настоящего метода можно оценить по сырьевым потокам только в России, например при перекачке нефти и газа в количествах более пятисот миллионов в год потребляется огромное количество энергии (около 10% от веса), которую можно уменьшить не менее чем на 10% или на 50 миллионов тонн в год. Количество двигателей внутреннего сгорания, используемых в России, измеряется десятками миллионов, и замена их части на новые, более эффективные, позволит увеличить производительность транспорта, использующего больше 100 миллионов тонн год топлив, более чем на 10%, что сравнимо с экономией топлива в 1 миллион тонн в год.