 |
Патент №2
|
|
|
|
(21)(22) Заявка: 98102924/06, 17. 07. 1996
(24) Дата начала отсчета срока действия патента:
17. 07. 1996
(30) Конвенционный приоритет:;
17. 07. 1995 HU P 9502145;
15. 01. 1996 HU P 9502145
(43) Дата публикации заявки: 20. 12. 1999 Бюл. № 35
(45) Опубликовано: 20. 04. 2001 Бюл. № 11
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: DE 3826533 А1, 20. 04. 1989. SU 8245 А, 30. 03. 1929. FR 1156955 А, 23. 05. 1958. CН 121627 А, 16. 07. 1927. GB 2169967 А, 23. 07. 1986.
(85) Дата перевода заявки PCT на национальную фазу:
17. 02. 1998
(86) Заявка PCT:
HU 96/00039 (17. 07. 1996)
(87) Публикация PCT:
WO 97/04226 (06. 02. 1997)
Адрес для переписки:
191186, Санкт-Петербург, а/я 230, " АРС-ПАТЕНТ", Рыбакову В. М.
(54) РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
(57) Реферат:
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к двигателям внутреннего сгорания с необъемным вытеснением. Сущность изобретения заключается в том, что ротор 2 состоит из нескольких смежных и идентичных роторных сегментов 20, каждый из которых содержит кольцевой сегмент 23, в котором выполнены сквозные каналы 25, 26, 27 расширения, обеспечивающие прохождение продуктов сгорания из камер сгорания 13 через выпускные отверстия 14 во внутреннюю полость 4 ротора 2 в момент, когда входные отверстия каналов 25, 26, 27 находятся напротив выпускных отверстий 14. Изобретение позволяет повысить степень унификации деталей при создании двигателя модульной конструкции с широким мощностным диапазоном. 2 с. и 13 з. п. ф-лы, 9 ил.
Изобретение относится к широкой области двигателей внутреннего сгорания, а более конкретно к роторным двигателям, прежде всего к двигателю внутреннего сгорания роторного типа, описанному в ограничительной части первого пункта формулы изобретения.
|
|
|
Уровень техники
Одна из тенденций повышения суммарной эффективности традиционных двигателей внутреннего сгорания, работающих по принципу объемного вытеснения, заключалась в замещении поршней с возвратно-поступательным перемещением роторными поршнями, способными преобразовывать энергию расширяющихся под большим давлением продуктов сгорания непосредственно во вращательное движение приводного вала. Двигатель с роторным поршнем, известный как двигатель Ванкеля, был проработан наиболее глубоко. Тем не менее он не смог заменить двигатель с возвратно-поступательным движением поршня в связи с рядом проблем, например, связанных с уплотнительными материалами. Другие разработки были направлены на создание роторных машин, в которых ротор приводится в движение по меньшей мере одной струей расширяющихся газов, которая создает тангенциальное давление на периферийную поверхность ротора. Таким образом, часть энергии расширяющегося газа преобразуется в крутящий момент, действующий на ротор. Примерами машин такого типа являются турбины, особенно газовые турбины, которые нашли широкое применение в конкретных, четко определенных областях. Известны, в основном из литературы, конструкции двигателей внутреннего сгорания роторного типа (роторных двигателей ), в которых ротор приводится в действие посредством продолжительной серии импульсов от расширяющихся продуктов сгорания.
Известное устройство по патенту США N 4590761 содержит камеры сгорания, пространственно разделенные выемками, которые размещены по боковой поверхности ротора. Каждая выемка служит в качестве камеры расширения для струи газа, возникающей в результате сгорания в смежной камере сгорания. На внутренней боковой поверхности статора имеются убираемые реактивные компоненты, которые вдвигаются в выемки для того, чтобы воздействовать на газовую струю и создать в результате силы, действующие в противоположных направлениях на ротор и статор, тем самым приводя ротор во вращение. Данное известное устройство представляется слишком сложным, поскольку содержит большое количество подвижных компонентов, управляемых кулачками. Кроме того, поскольку сгорание топлива происходит только в открытых камерах с дросселированием выходного потока, тепловая эффективность может оказаться недостаточно высокой для того, чтобы данное устройство представляло интерес для практических применений.
|
|
|
Еще одно устройство рассматриваемого типа раскрыто в описании к заявке Германии N DE 1601577 A2. Это устройство содержит две эквидистантно расположенных камеры сгорания, выполненные на боковой поверхности статора. Продукты сгорания, образующиеся в этих камерах, выпускаются через заданные временные интервалы в змеевидный тракт расширения, который ограничивается криволинейными разделительными стенками камер, определенные части которых расположены как в роторе, так и в статоре устройства. Когда двигатель должен находиться в рабочем состоянии, указанные камеры соединяются друг с другом последовательно, так чтобы последовательные многократные акты расширения продуктов сгорания создавали чередующиеся активные и реактивные тангенциальные приводные импульсы, действующие на ротор. Расширившиеся продукты сгорания в конечном итоге выводятся в окружающую атмосферу через тракт в статоре.
Анализ описанного устройства приводит к выводу, что оно едва ли будет пригодно для практической работы, по крайней мере, в плане создания крутящего момента, который мог бы использоваться для практических целей при приемлемой эффективности. Змеевидный тракт расширения представляется слишком длинным и объемным. В подобном тракте расширения может постоянно существовать действующее противодавление, имеющее примерно фиксированный уровень. В течение относительно долгих интервалов между последовательными актами сгорания в камерах продукты сгорания, присутствующие в подобном тракте, могут прийти в состояние квазистагнации. При этом ожидается, что скорость газового потока через данный тракт расширения будет довольно низкой, что объясняется слишком большими интервалами между импульсами и слишком большим объемом тракта расширения, а также медленным выведением расширившихся продуктов сгорания в окружающую атмосферу. Между перегородками роторных камер с активным и/или реактивным приводом имеются слишком длинные участки стенок, которые, с точки зрения создания крутящего момента, полностью неактивны, если только не оказывают неблагоприятное влияние.
|
|
|
Еще один пример подобного двигателя представлен в заявке Германии N DE 1476913 A1. Описанное здесь устройство является, в принципе, многоступенчатой турбиной, содержащей ротор, снабженный пространственно разделенными камерами с тангенциальными отверстиями, расположенными на боковой поверхности ротора. В процессе работы в указанные камеры импульсно вводятся газовые струи высокого давления. Эти импульсы создают активные и реактивные силы, действующие на ротор в момент их ввода, а также позднее, в процессе их многоступенчатого расширения при выходе из камер. Ротор известного устройства имеет форму полого цилиндрического тела, снабженного радиальными спицами, а камеры расположены на внешней боковой поверхности цилиндрического тела. В качестве альтернативного варианта в этом же документе рассмотрена возможность генерирования импульсов газа высокого давления по меньшей мере в первой ступени турбины, за счет размещения и работы камер внутреннего сгорания на роторе. После завершения первой ступени своего расширения продукты сгорания вводятся через подходящие, но относительно длинные тракты в последующие ступени турбины для повторных расширений. Сгорание топлива, которое вводится в камеры сгорания, должно проводиться при постоянном объеме, и расширяющиеся газы должны создавать, по крайней мере на первой ступени своего расширения, импульсы реактивного приводного крутящего момента на боковой поверхности ротора. По причине относительно большой длины траекторий потоков расширяющихся газов между последующими ступенями расширения и имеющихся у них многочисленных изгибов, данное гибридное решение едва ли может иметь достаточно высокую эффективность, необходимую для замены хорошо известных двигателей с преобразованием возвратно-поступательного движения во вращательное.
|
|
|
В опубликованной патентной заявке Германии N DE 3826533 A1 раскрыт двигатель внутреннего сгорания роторного типа, в котором имеется ротор, снабженный множеством выемок, приспособленных для восприятия газовой струи расширяющихся продуктов сгорания высокого давления, исходящих из камеры сгорания, установленной стационарно и образующей уплотненное соединение с периферийной частью ротора. В процессе работы, когда ротор двигателя вращается относительно камеры сгорания, выемки в роторе временно и последовательно располагаются напротив выпускного отверстия камеры сгорания. Ротор поддерживается в состоянии постоянного вращения за счет кинетической энергии струй расширяющихся продуктов сгорания высокого давления, которая передается ротору во время и в результате прохождения газовых струй через выемки в роторе с дальнейшим расширением в этих выемках. Ротор двигателя внутреннего сгорания роторного типа, описанный в указанной заявке, сконструирован как практически сплошное тело вращения и, помимо краткого упоминания о том, что теплота расширившихся газов в дальнейшем утилизуется в теплообменнике, никакой информации о том, как выводятся отработавшие продукты сгорания, не приводится.
Сущность изобретения
Таким образом, одной из задач, решаемых настоящим изобретением, является создание двигателя внутреннего сгорания роторного типа, в первую очередь двигателя, функционирующего как роторный двигатель, приводимый в действие продолжающимися сериями тангенциальных импульсов, воздействующих на ротор со стороны расширяющихся продуктов сгорания, обладающих высокой энергией, принцип построения которого позволял бы реализовывать двигатели различных размеров и, следовательно, с различными рабочими показателями за счет применения различного числа предварительно изготовленных идентичных блоков, удобных в сборке и настройке. Более конкретно, настоящее изобретение решает задачу создания двигателя внутреннего сгорания роторного типа, который работает с минимальными потерями энергии при высокой тепловой и механической эффективности. Еще одна, связанная с предыдущими, задача заключается в разработке двигателя с недоступным ранее низким уровнем потребления топлива, двигателя, способного работать на различных видах топлива, прежде всего на сжиженном или газообразном водороде, не создавая при этом никаких проблем. Еще одна задача, на решение которой направлено изобретение, - это создание двигателя, который с успехом способен заменить традиционные поршневые двигатели внутреннего сгорания с преобразованием возвратно-поступательного движение во вращательное, в любой области их применения. Кроме того, настоящее изобретение решает задачу создания способа работы двигателя согласно изобретению в экологически " дружественном" режиме благодаря очень низкому, если не нулевому, содержанию вредных компонентов в выхлопных газах.
|
|
|
При создании настоящего изобретения учитывалось, что названные выше очень сложные задачи могут быть решены только при условии создания двигателя роторного типа, в котором одновременно реализованы такие известные (хотя бы частично) принципы и физические эффекты, как отсутствие возвратно-поступательных компонентов; использование ротора с большим центробежным моментом инерции для запасания кинетической энергии, по крайней мере, на определенные периоды работы: сжигание полностью сгорающей топливной смеси в теплоизолированных объемах, благодаря чему обеспечивается адиабатическое сгорание; допустимость и использование сгорания топлива при детонации, благодаря чему могут быть достигнуты более высокие скорости сгорания и более высокие температуры.
В соответствии с настоящим изобретением создан двигатель внутреннего сгорания роторного типа, содержащий внутренний элемент круглого сечения, установленный с возможностью вращения для функционирования в качестве ротора двигателя, и концентричный кольцевой наружный элемент, установленный стационарно для функционирования в качестве статора двигателя. Ротор и статор взаимно расположены таким образом, что внутренняя боковая поверхность статора по меньшей мере некоторыми своими участками герметично охватывает ротор. Ротор и статор выполнены с возможностью относительного вращения вокруг их общей оси. Статор снабжен по меньшей мере двумя камерами сгорания, эквидистантно распределенными по его боковой поверхности, и в каждой камере сгорания имеется по меньшей мере одно выпускное отверстие, сообщающееся с указанной боковой поверхностью и ориентированное тангенциально в направлении указанного ротора. Далее, каждая из камер сгорания содержит по меньшей мере одно отверстие подачи топлива, через которое в указанную камеру сгорания через заданные интервалы времени определенными порциями, соответствующими формированию смеси, способной к сгоранию, могут подаваться кислород или воздух и топливо. Каждая из камер сгорания содержит дополнительно средства для инициирования или улучшения зажигания смеси, способной к сгоранию, которая подается в указанную камеру сгорания. Ротор выполнен таким образом, что образует тело вращения с формой, близкой к кольцевой, причем наружное кольцевое тело жестко соединено с центральным валом посредством множества спиц, с обеспечением передачи крутящего момента. Указанный центральный вал выполнен выступающим из указанного тела вращения по меньшей мере на одном его конце и служит для функционирования в качестве главного вала двигателя. В кольцевом теле ротора выполнено множество выемок, приспособленных для восприятия газовой струи, создаваемой расширяющимися продуктами сгорания высокого давления, выпускаемыми из указанных камер сгорания через их выпускные отверстия в моменты, когда указанные выемки в процессе вращения ротора относительно статора последовательно на какое-то время устанавливаются напротив указанных выпускных отверстий. Согласно одному из новых отличительных признаков, ротор состоит из по меньшей мере двух роторных сегментов, каждый из которых содержит кольцевой сегмент, внутри которого имеется сквозная полость, через которую в процессе работы двигателя постоянно в определенном осевом направлении проходит поток воздуха окружающей среды. Выемки выполнены в каждом кольцевом сегменте таким образом, что образуют по меньшей мере одну группу сквозных каналов расширения, способных обеспечить непрерывное вращение ротора за счет преобразования энергии продуктов сгорания в крутящий момент, формируемый за счет импульсов, воздействующих в тангенциальном направлении на кольцевые сегменты ротора. Еще одним новым существенным признаком изобретения является то, что каждый канал расширения обеспечивает прохождение продуктов сгорания, исходящих из выпускных отверстий камер сгорания непосредственно в направлении внутренней полости роторных сегментов в интервалы времени, когда входные отверстия каналов расширения на внешней боковой поверхности роторных сегментов находятся напротив указанных выпускных отверстий, расположенных на внутренней поверхности статора.
Перечень фигур чертежей
Другие существенные признаки и достоинства изобретения станут ясны из нижеследующего описания приводимых только в качестве примеров предпочтительных вариантов осуществления, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 представляет вид в аксонометрии роторного двигателя согласно изобретению, который состоит из четырех идентичных сегментов, причем каждый статорный сегмент содержит две камеры сгорания;
фиг. 2 представляет вид в аксонометрии одного из сегментов роторного двигателя, показанного на фиг. 1:
фиг. 3 - это частичный вид сверху на сегмент, изображенный на фиг. 2, у которого удалены крышка статорного сегмента и дисковая крышка роторного сегмента для того, чтобы показать одну из камер сгорания и одну из групп каналов расширения этого сегмента;
фиг. 4 соответствует виду в аксонометрии корпуса статорного сегмента, показывающему также криволинейные заслонки вместе с гнездами для их установки;
фиг. 5 представляет частичный вид одного из роторных сегментов двигателя;
фиг. 6 - это вид в аксонометрии кольцевого сегмента роторного сегмента, показанного на фиг. 5.
фиг. 7 является частичным видом в аксонометрии части одного из сегментов роторного двигателя, снова со снятыми крышкой сегмента и дисковой крышкой, чтобы показать детали конструкции камеры сгорания и связанной с ней криволинейной заслонкой:
фиг. 9 - это вид в аксонометрии альтернативного варианта ротора роторного двигателя с четырьмя сегментами согласно настоящему изобретению.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
В предпочтительных вариантах осуществления изобретения, которые представлены в качестве примеров на фиг. 1 - 9 прилагаемых чертежей, двигатель внутреннего сгорания роторного типа имеет статор 1 и ротор 2, состоящие соответственно из четырех идентичных по форме статорных сегментов 10 и четырех идентичных по форме роторных сегментов 20. Сегменты установлены в согласованных положениях коаксиально главному валу 21. Каждый статорный сегмент 10 содержит корпус 11 сегмента, боковая поверхность которого герметично закрыта крышкой 12. Каждый роторный сегмент 20 состоит из кольцевого сегмента 23 и дисковой крышки 24. Эта дисковая крышка 24 имеет такой же диаметр, как и кольцевой сегмент 23, и плотно устанавливается на одну из его боковых поверхностей.
Ротор 2 сконструирован таким образом, что он образует в целом тело вращения с формой, близкой к кольцевой, обладающее относительно большим центробежным моментом инерции. С этой целью тело ротора кольцевой формы, состоящее из четырех кольцевых сегментов 23 и четырех дисковых крышек 24, прикреплено к главному валу 21 спицами 22, образующими жесткое соединение, передающее крутящий момент. Главный вал 21 выступает обоими своими концами из ротора 2 и служит главным валом двигателя. В соответствии с одним из новых существенных признаков изобретения в роторе 2 имеется сквозная внутренняя полость 4, по которой в процессе работы двигателя через ротор 2 в осевом направлении может проходить непрерывный поток воздуха из окружающей среды. На фиг. 2 приведено перспективное изображение одного из сегментов двигателя, который, взятый отдельно, способен работать в определенных диапазонах малых мощностей. Поскольку на всех фигурах идентичные компоненты двигателя имеют одинаковые обозначения, нет необходимости детально описывать сегмент двигателя, представленный на фиг. 2.
Как показано на фиг 3 и 4, в каждом корпусе сегмента 11 выполнены две камеры 13 сгорания, размещенные эквидистантно по внутренней боковой поверхности статора 1 и смещенные относительно нее в радиальном направлении. У каждой камеры 13 сгорания имеется выпускное отверстие 14 и отверстие 15 подачи топлива. Помимо топлива, такого как жидкий водород, через отверстие 15 подачи топлива в камеру 13 сгорания могут также в определенных дозах и через определенные интервалы подаваться сжатый воздух или кислород, а также, по усмотрению, вода. Как показано на фиг. 3, 4 и 7, каждый корпус 11 статорного сегмента далее содержит гнезда 17 для установки криволинейной заслонки 3 и отверстия для установки свечи 16 зажигания для каждой камеры 13 сгорания.
В каждом из кольцевых сегментов 23, входящих в роторные сегменты 20, имеется группа из трех каналов 25, 26, 27 расширения для каждой камеры сгорания, как это показано на фиг. 3 и 5-7. Чтобы создать адекватные условия для адиабатического сгорания, двигатель выполнен теплоизолированным, предпочтительно за счет нанесения на камеры 13 сгорания выпускных отверстий 14 и каналов 25, 26, 27 расширения термостойкого керамического покрытия. Желательно, чтобы роторные сегменты 20 ротора 2 были также теплоизолированы по своей внешней боковой поверхности с помощью термостойкого керамического покрытия.
В тех секторах, где выпускные отверстия 14 камер 13 сгорания выходят по касательной на внутреннюю боковую поверхность статорных сегментов 10 в направлении ротора 2, в указанных секторах этой внутренней боковой поверхности размещены средства уплотнения для того, чтобы уплотнить зазор между статорным сегментом 10 и ротором 2 при сохранении возможности их взаимного вращения. В качестве этих средств уплотнения используются криволинейные заслонки 3, которые, преодолевая действие не изображенных на чертеже пружин, вводят в соответствующие гнезда 17 в выемках внутренней боковой поверхности статорных сегментов 10. Каждая криволинейная заслонка 3 имеет сквозное отверстие 30, через которое поток продуктов сгорания под высоким давлением из выпускного отверстия 14 соответствующей камеры 13 сгорания может свободно истекать в направлении ротора 2 и в каналы 25, 26, 27 расширения. Это истечение допускается в те временные интервалы, когда входные отверстия указанных каналов 25, 26, 27 расширения, распределенные по внешней боковой поверхности соответствующего роторного сегмента 20, расположены напротив указанных выпускных отверстий 14 на внутренней боковой поверхности статора 1.
Криволинейные заслонки 3 представляют собой подверженные износу и взаимозаменяемые элементы, изготавливаемые из подходящего углеродного материала. Каждая криволинейная заслонка 3 снабжена двумя уплотняющими ребрами 31, 32, имеющими в поперечном сечении форму сегментов круга. Уплотняющие ребра 31, 32 выступают из внутренней поверхности заслонки 3, имеющей форму цилиндрического сегмента, в виде параллельных линий, расположенных по обе стороны отверстия 30. При этом по форме и размерам они согласованы с уплотняющими поверхностями 28, 29 на роторе 2, выполненными на внешней боковой поверхности соответствующего роторного сегмента 20, предпочтительно снабженной керамическим покрытием, так что совокупность элементов 31, 32 и 28, 29 образует газонепроницаемое уплотнение. Подобная конструкция уплотнительных средств позволяет осуществлять смазку двигателя просто водой.
Каждая камера 13 сгорания двигателя, показанная на чертежах, имеет объем порядка 8 см3 и глубину порядка 1 см. Выпускные отверстия имеют номинальное сечение 0, 5 х 1 см, причем они выполнены в виде сопел Лаваля, которые сами по себе известны. Расположение отверстий 15 подачи топлива выбрано таким образом, чтобы обеспечить быстрое смешивание и полное сгорание подаваемого топлива. Подача через отверстия 15 в заданные моменты воздуха или кислорода под высоким давлением, топлива (предпочтительно водорода), а также, по усмотрению, добавок воды производится и контролируется с использованием плоских золотниковых клапанов, которые также сами по себе известны. Номинальный радиус поверхности, по которой сопрягаются статор 1 и ротор 2, составляет 12 см. Каждый из сегментов 10 статора и сегментов 20 ротора имеет толщину 4 см. Корпус 11 сегмента имеет толщину 2, 5 см, а его крышка 12-1, 5 см. Аналогичным образом, кольцевой сегмент 23 имеет толщину 2, 5 см, а его дисковая крышка 24 - 1, 5 см. Радиус внутренней полости 4 ротора 2 составляет 8 см. Как это видно из чертежей, статорные сегменты 10 статора 1 легко настраиваются друг относительно друга и затем скрепляются посредством шпилек (не изображены), распределенных по периферии статора 1 и параллельных оси двигателя. При указанных выше размерах частей двигателя максимальный " диаметр" сегментов статора (измеренный вдоль линии, проходящей через центры двух противолежащих камер 13 сгорания ), составляет 43, 2 см, тогда как наружный " диаметр" корпуса 11 сегмента (предпочтительно изготовленного из легкого сплава) и его крышки 12 равен 32 см. Каждый сегмент двигателя (не считая главного вала) весит примерно 8, 7-8, 8 кг, так что общий вес четырех сегментов двигателя, которые в сумме содержат шестнадцать камер сгорания, составляет примерно 35 кг (опять-таки без главного вал 21, длина которого равна 21 см).
Из фиг. 3, 5 и 7 ясно видно, что сегменты 20 ротора 2 содержат две группы каналов. Входные отверстия каналов 25, 26 и 27 расширения в каждой группе распределены по внешней боковой поверхности ротора 2 и отстоят друг от друга на определенные расстояния. Каналы 25, 26 и 27 расширения - это каналы, поперечные сечения которых уменьшаются в направлении внутренней полости 4 ротора 2, начиная от внешней боковой поверхности кольцевого сегмента 23. Если рассматривать каналы 25, 26, 27 расширения в направлении вращения ротора, они ограничены передней и задней стенками. Эти стенки, начиная от входного отверстия на внешней боковой поверхности ротора 2, представляют собой криволинейные секции с профилем, сходным с профилем турбинных лопаток.
В других предпочтительных вариантах осуществления роторного двигателя могут быть использованы другие виды каналов расширения. Так, в варианте ротора, представленного (без главного вала 21 и спиц 22) на фиг. 8, на торцевой поверхности кольцевого сегмента 23' имеется кольцевой выступ, проходящий по внешней боковой поверхности этого сегмента и ориентированный в осевом направлении. При этом дисковая крышка 24, надетая на указанный кольцевой сегмент 23', и в этом случае имеет диаметр, равный диаметру снабженной кольцевым выступом боковой поверхности этого сегмента. В этом альтернативном варианте каждая группа каналов состоит из двух каналов 25', 26' расширения, выполненных как сквозные каналы, которые, если рассматривать их в направлении вращения, начиная от их входных отверстий на внешней боковой поверхности сегмента 23', ориентированы тангенциально в направлении вращения, а затем искривляются в обратном направлении и в направлении торца сегмента, выходя на торцевую поверхность кольцевого сегмента 23'. Начиная от этого места, каналы расширения непосредственно сообщаются с внутренней полостью 4 ротора 2, поскольку наличие кольцевого выступа на торцевой поверхности кольцевого сегмента 23' обеспечивает формирование кольцевой полости между внутренней кромкой указанной торцевой поверхности, не имеющей выступа, и дисковой крышкой 24, которая открыта в радиальном направлении, т. е. в направлении внутренней полости 4 ротора.
На фиг. 4 и 5 показан предпочтительный вариант выполнения криволинейных заслонок 3. Видно, что их гнезда 17 выполнены как выточки в боковой поверхности корпуса 11 сегмента и его крышки 12, входящих в состав статорного сегмента 10. Гнезда 17 имеют такую глубину в радиальном направлении, что криволинейные заслонки 3 углубляются в них в радиальном направлении, преодолевая действие пружин (не показанных на чертежах, но уже упомянутых ранее), когда ротор 2 вводится в статор 1 или выводится из него. Из указанных фигур видно также, что одно из уплотняющих ребер 31, 32 с поперечным сечением в форме сегмента круга, выступающих из внутренней поверхности заслонки 3, а именно уплотняющее ребро 32, стыкуется с кольцевой уплотняющей поверхностью 29, выполненной на внешней боковой поверхности кольцевого сегмента 23, предпочтительно снабженной керамическим покрытием. Элементы 32 и 28 совместно образуют газонепроницаемое уплотнение. Аналогичным образом, уплотняющее ребро 31 образует газонепроницаемое уплотнение совместно с кольцевой уплотняющей поверхностью 28, выполненной на дисковой крышке 24 роторного сегмента, предпочтительно снабженной керамическим покрытием. Отверстия 30 в криволинейных заслонках 3 сделаны достаточно широкими, чтобы расширяющиеся продукты сгорания, температура которых лежит в пределах от 1500 К до 1600 К (даже в случае, когда в камеры 13 сгорания дополнительно подается вода после завершения полного сгорания, но до начала расширения), не контактировали непосредственно с криволинейными заслонками 3 в процессе своего расширения при проходе через выпускные отверстия 14. Вместе с тем, длина каждой из криволинейных заслонок 3 в направлении, параллельном направлению вращения, выбрана достаточной для того, чтобы каждая заслонка 3 могла одновременно и герметично перекрыть входные отверстия обоих каналов 25, 26 расширения одной группы, когда они в процессе работы двигателя располагаются точно напротив указанной заслонки 3.
Характерная особенность настоящего изобретения, важная с точки зрения работы двигателя, которая будет детально описана далее, заключается в том, что ротор 2 открыт с обоих своих концов и таким образом его внутренняя полость 4 образует сквозной тракт, сквозь который во время работы двигателя окружающий воздух может проходить в осевом направлении. Это явление усиливается наличием передающего крутящий момент соединения между кольцевыми сегментами 23 или 23' и главным валом 21 ротора 2, выполненного в виде спиц 22. Еще одним существенным признаком изобретения является то, что по меньшей мере некоторые спицы 22 ротора 2 сконструированы таким образом, чтобы при работе двигателя они действовали как лопасти вентилятора для того, чтобы создавать и поддерживать в осевом потоке воздуха зону несколько пониженного давления (желательно на 5-20 кПа) с тем, чтобы выдувать из каналов расширения 25, 26, 27, 25', 26' остатки продуктов сгорания и охлаждать ротор 2 через его внутреннюю полость 4. Данная полость 4 может быть также снабжена заборной камерой (не изображена) с вакуум-фильтром, установленной на одном ее конце, и второй камерой на другом ее конце для временного сбора продуктов сгорания после их расширения и перед тем, как выпустить их в атмосферу.
Для своей эффективной, нормальной работы описанный выше и проиллюстрированный прилагаемыми чертежами роторный двигатель согласно настоящему изобретению должен быть снабжен хорошо известными вспомогательными устройствами, такими как стартер, посредством которого главный вал 21 приводится во вращение перед и в процессе начального зажигания; тормозом, предпочтительно дискового типа, который также должен быть связан с главным валом 21; предпочтительно электронным устройством ввода топлива, способным обеспечить управляемую подачу в камеры 13 сгорания кислорода (или сжатого воздуха), топлива (предпочтительно водорода) и, как рекомендуемый дополнительный вариант, заданных количеств воды: еще одним, предпочтительно электронным, устройством для обеспечения с помощью свечей 16 зажигания управляемого зажигания в камерах 13 сгорания подаваемой топливной смеси подходящей коробкой передач, предпочтительно автоматического типа с электронным управлением, различные варианты которой известны в автомобильной промышленности. В наиболее предпочтительных, современных вариантах осуществления изобретения интегральное управление параметрами и функциями двигателя, а также связанных с ним вспомогательных устройств осуществляется от бортового компьютера.
Далее будут подробно описаны наилучший и альтернативные режимы работы предпочтительного варианта роторного двигателя, вместе с некоторыми его рабочими показателями.
В соответствии с наилучшим способом работы двигателя согласно настоящему изобретению, рабочий режим двигателя поддерживают путем подачи дискретными порциями, зависящими от требуемых характеристик работы двигателя, кислорода или воздуха, т. е. компонентов будущей топливной смеси, способной к полному сгоранию в камерах 13 сгорания, через заданные интервалы времени. Управление указанными интервалами осуществляют в зависимости от количества групп каналов 25, 26, 27 или 25', 26' расширения, их взаимного расположения на внешней боковой поверхности ротора и действительной угловой скорости ротора 2. Путем управляемого зажигания или спонтанного возгорания, предпочтительно за счет детонации, обеспечивают мгновенное сгорание топливной смеси при постоянном объеме благодаря тому, что указанные камеры 13 сгорания удерживают в закрытом, газонепроницаемом состоянии до достижения максимального давления продуктов сгорания. Осуществляют расширение находящихся под высоким давлением продуктов сгорания предпочтительно в три, но не менее чем в две последовательные ступени, в виде импульсных газовых струй, направляемых тангенциально через выпускные отверстия 14 камер 13 сгорания в каналы 25, 26, 27 или 25', 26' расширения путем временного совмещения, за счет вращения ротора 2 относительно статора 1 расположенных на внешней боковой поверхности входных отверстий каналов 25, 26, 27 или 25', 26' расширения с выпускными отверстиями 14 камер 13 сгорания. Продукты сгорания после их расширения удаляют из каналов 25, 26, 27 или 25', 26' расширения через внутреннюю полость 4 ротора, в которой поддерживают пониженное давление.
В процессе работы, после того, как в камере 13 сгорания завершено сгорание, предпочтительно путем детонации, и первый (по направлению вращения) канал 25 расширения занимает положение напротив выпускного отверстия 14 данной камеры 13 сгорания, продукты сгорания, все еще находящиеся под максимальным давлением и при максимальной температуре, выпускаются из камеры в форме тангенциальной горячей газовой струи в первый канал 25 расширения. Эти газы, расширяясь, создают значительный импульс давления, т. е. импульсный толчок, действующий на криволинейную переднюю стенку указанного канала. Криволинейная передняя стенка первого канала 25 расширения (как и последующих каналов 26 и 27 расширения) имеет такую конфигурацию, что частицы газа, которые пытаются сохранить направление своего движения при своем перемещении к внутренней полости 4 ротора 2, вынуждены постоянно изменять свою траекторию почти до того момента, когда они совершат поворот на угол, близкий к 180o.
В процессе этого перемещения частицы газа постоянно отдают, т. е. теряют, свою энергию при одновременном уменьшении их скорости. Однако поскольку частицы газа взаимодействуют с участками стенки, которые имеют постоянную угловую скорость, но постепенно уменьшающийся радиус и, следовательно, постепенно уменьшающуюся линейную скорость, передача энергии происходит постоянно, вдоль всей траектории движения газов в связи с тем, что участки стенки, преобразующие давление в силу и, таким образом, в крутящий момент, не могут " ускользнуть" от ударов частиц расширяющегося газа. Длина криволинейных заслонок 3 в направлении вращения и расстояние между смежными каналами 25 и 26 расширения, измеренное по боковой поверхности ротора, подобраны так, что криволинейная заслонка 3 будет одновременно перекрывать входные отверстия каналов 25 и 26 расширения, так что остаточное давление в камере 13 сгорания сохраняется до тех пор, пока входное отверстие канала 26 расширения не окажется напротив выпускного отверстия 14. В этом положении оставшимися в камере 13 продуктами сгорания генерируется вторая импульсная газовая струя, соответствующая " второй ступени" переноса энергии и поступающая в канал 26 расширения. Здесь эта струя используется для формирования момента вращения, аналогично тому, как это было описано выше.
В варианте, когда в роторных сегментах 20 используется кольцевой сегмент 23 с тремя последовательными каналами 25, 26 и 27 расширения, перенос энергии происходит даже в последнем канале 27 расширения, главная функция которого заключается в том, чтобы обеспечить удаление даже остаточных продуктов сгорания, имеющих низкое давление, из камеры 13 сгорания. Этот процесс удаления усиливается благодаря формированию низкого давления в потоке окружающего воздуха через внутреннюю полость 4 ротора 2, что способствует выдуванию остатков продуктов сгорания из каналов 25, 26, 27 или 25', 26', а также охлаждению ротора.
Для того, чтобы решить поставленные технические задачи и обеспечить наивысшие характеристики работы, роторный двигатель по настоящему изобретению работает на сжиженном водороде, к которому добавляют кислород в количестве, достаточном для полного окисления водорода, подаваемого в камеры 13 сгорания. Запуск двигателя начинается с того, что ротор 2 приводится во вращательное движение посредством любого п
|
|
|
