ДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области гидромашиностроения и может быть использована в нефтяной и газовой промышленности при создании энергетически эффективных технологий и техники для добычи газа и жидких углеводородов.
Известен двигатель, содержащий статор с соплами и выходным каналом, размещенный в статоре ротор, выполненный в виде проницаемой объемной сотовой структуры, состоящей из связанных между собой наружных и внутренних выступов. При этом между внутренними и наружными выступами в роторе выполнены проточные каналы с обеспечением гидравлической связи проточных каналов в роторе с соплами и с выходным каналом в статоре (RU 149348, 2014).
Недостатком известного двигателя является нарушение баланса радиальных нагрузок, действующих на ротор, при регулировании расхода жидкости через сопло, что снижает эффективность рабочего процесса.
Из известных технических решений наиболее близким к предлагаемому является двигатель, содержащий статор с входными соплами и выходным каналом, размещенный в статоре ротор, выполненный в виде проницаемой объемной сотовой структуры, состоящей из связанных между собой наружных и внутренних выступов с образованием между ними проточных каналов, гидравлически связанных с входными соплами для подачи рабочей среды и с выходным каналом в статоре, а в полости корпуса соосно с ротором установлена вихревая камера, сообщающаяся с проточными каналами ротора и с выходным каналом в статоре (RU 167879, 2016).
Недостаток известного двигателя заключается в том, что выходящий из ротора поток негативно влияет на поток, выходящий из сопла, при возрастании скорости вращения ротора, что приводит к отклонению его от первоначального направления с образованием неконтролируемых вихревых потоков. В этом случае часть энергии рабочего потока теряется при режимах с высокой скоростью вращения ротора и, соответственно, на этих режимах работы снижается КПД двигателя.
Технической проблемой, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение эффективности работы двигателя и расширение рабочего диапазона частоты вращения ротора.
Указанная проблема решается тем, что в двигателе, содержащем статор с входными соплами и выходным каналом, размещенный в статоре ротор, выполненный в виде проницаемой объемной сотовой структуры, состоящей из связанных между собой наружных и внутренних выступов с образованием между ними проточных каналов, гидравлически связанных с входными соплами для подачи рабочей среды и с выходным каналом в статоре, а в полости статора соосно с ротором установлена вихревая камера, сообщающаяся с проточными каналами ротора и с выходным каналом в статоре, согласно полезной модели, входные сопла размещены в центральной части ротора с образованием циркуляционного кольцевого канала в зазоре между входными соплами и внутренними выступами, а в полости вихревой камеры размещена подвижная регулирующая втулка, с возможностью ее перемещения из вихревой камеры в циркуляционный кольцевой канал для регулируемого перекрытия входных сопел.
Достигаемый технический результат заключается в предотвращении образования вихревых потоков при увеличении скорости вращения ротора за счет регулирования расхода потока на выходе из сопел.
Сущность описываемой полезной модели поясняется чертежами: на фиг. 1 показана схема двигателя с соплом в открытом положении; на фиг. 2 показана схема двигателя с соплом в закрытом положении; на фиг. 3 представлена схема двигателя, поперечный разрез А-А; на фиг. 4 показана схема двигателя в изометрии с соплом в открытом положении; на фиг.5 показана схема двигателя в изометрии с соплом в закрытом положении.
Описываемый двигатель содержит статор 1 с входными соплами 2 и размещенный в нем ротор 3 с наружными выступами 4. В конструкции двигателя может быть одно, два сопла или более. Ротор 3 оснащен внутренними выступами 5, при этом ротор 3 выполнен в виде проницаемой объемной сотовой структуры, состоящей из связанных между собой наружных выступов 4 и внутренних выступов 5. Выступы 4 и 5 имеют твердые стенки. Между внутренними 5 и наружными 4 выступами в роторе 3 выполнены проточные каналы 6, с обеспечением гидравлической связи проточных каналов 6 в роторе 3 с входными соплами 2 в статоре 1. Статор 1 оснащен выходным каналом 7. Входные сопла 2 и выходной канал 7 могут располагаться на различном расстоянии от оси вращений 8 ротора 3 с учетом условий применения заявляемого двигателя.
Статор 1 содержит установленную соосно с ротором вихревую камеру 9.
Входные сопла 2 размещены в центральной части ротора 3, с образованием циркуляционного кольцевого канала 10 в зазоре между входными соплами 2 и внутренними выступами 5, а в вихревой камере 9 размещена подвижная регулирующая втулка 11 с возможностью ее регулируемого перемещения из вихревой камеры 9 в циркуляционный кольцевой канал 10 для частичного или полного перекрытия входных сопел 2. Положение подвижной регулирующей втулки 11 можно изменять, используя известные технологии, например, гидравлический привод или электромагнитный привод. На фигурах представлен вариант двигателя с гидравлическим приводом для перемещения подвижной регулирующей втулки 11. Гидравлические камеры 12 и 13 через патрубки 14 и 15 могут подключаться к системе гидравлического управления (система гидравлического управления на фигурах не показана).
Двигатель работает следующим образом.
Статор 1 с входными соплами 2 обеспечивают формирование потока (или нескольких потоков) рабочего тела (рабочей среды) по направлению к ротору 3 (фиг. 1). В качестве рабочего тела может выступать жидкость, газожидкостная смесь или газ (в том числе пар или высокотемпературные продукты горения топливовоздушной смеси). Поток рабочего тела воздействует на внутренние выступы 5 ротора 3 и приводит ротор 3 в движение. Таким образом, кинетическая энергия потока рабочего тела преобразуется в механическую энергию при вращательном движении ротора 3. Для дальнейшей передачи энергии ротор 3 может быть связан с внешними механизмами, которые на фигурах не показаны. Также поток рабочего тела через проточные каналы 6 проникает в полость ротора 3, который выполнен в виде проницаемой объемной сотовой структуры. Поток рабочего тела в этой части ротора 3 взаимодействует с твердыми стенками внутренних 5 и наружных 4 выступов, что способствует преобразованию энергии. Возможно осуществление как непрерывной, так и импульсной подачи рабочего тела к ротору 3 двигателя. За счет проницаемой объемной сотовой структуры ротора 3 обеспечивается преобразование энергии при различных свойствах рабочего тела, в том числе, при использовании газожидкостных смесей, отличающихся по плотности или вязкости. Через проточные каналы 6 в роторе 3, рабочее тело отводится из статора 1, через выходной канал 7.
Положение подвижной регулирующей втулки 11 можно изменять. Для закрытия входных сопел 2 в гидравлическую камеру 12 подают жидкость под высоким давлением через патрубок 14. При этом из гидравлической камеры 13 жидкость вытесняется в линию низкого давления через патрубок 15. Под действием перепада давлений в гидравлических камерах 12 и 13 подвижная регулирующая втулка 11 перемещается и перекрывает сопла 2.
Для открытия входных сопел 2 в гидравлическую камеру 13 подают жидкость под высоким давлением через патрубок 15. При этом из гидравлической камеры 12 жидкость вытесняется в линию низкого давления через патрубок 14. Под действием перепада давлений в гидравлических камерах 12 и 13 подвижная регулирующая втулка 11 перемещается и открывает входные сопла 2. Промежуточное положение подвижной регулирующей втулки 11 можно изменять, меняя объем жидкости в гидравлических камерах 12 и 13 (как в известных системах управления с гидравлическим приводом).
За счет перемещении подвижной регулирующей втулки 11 в направлении из вихревой камеры 9 в циркуляционный кольцевой канал 10 обеспечивается возможность регулирования расхода потока на выходе из сопел 2 за счет частичного или полного их перекрытия и, соответственно, регулирования режима работы двигателя.
С использованием заявляемого технического решения обеспечивается повышение эффективности работы двигателя и расширение рабочей области по частоте вращения ротора.
Предлагаемое техническое решение можно использовать для рекуперации энергии, например в составе насосных и эжекторных установок при добыче газа и жидких углеводородов.