ES2952446T3 - Motor rotatorio epitrocoidal de alta densidad de potencia y eficiencia - Google Patents

Abstract

Varias realizaciones describen modificaciones a los motores X, que utilizarían una cámara dedicada para implementar el ciclo Rankine de descenso, así como mejoras adicionales en el sellado y la eficiencia de la combustión, todo lo cual contribuye a una alta eficiencia. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Motor rotatorio epitrocoidal de alta densidad de potencia y eficiencia

Campo técnico

La presente invención se refiere a máquinas rotatorias y, más particularmente, a motores rotatorios, compresores rotatorios, bombas rotatorias y expansores rotatorios. Un motor rotatorio de este tipo se conoce, por ejemplo, por el documento US 2013/028774 A.

Antecedentes de la técnica

Un ciclo superior (topping cycle) (típicamente un motor de turbina o un motor de combustión interna) típicamente rechaza en el escape >30 % del calor disponible en el combustible. Un ciclo de fondo (bottoming cycle) es simplemente un segundo motor térmico que puede utilizar el calor rechazado del ciclo superior y aportar energía mecánica adicional al árbol, lo que aumenta la eficiencia general. No es raro que una gran planta de energía de gas natural (a escala de MW) logre una eficiencia del 40 % en su ciclo superior y luego una eficiencia general del 50 al 60 % a través del ciclo combinado. Esto se produce a expensas de componentes adicionales, con un coste asociado y, usualmente, solo factible para grandes sistemas de energía estacionarios.

También se utilizan avances en la tecnología de inyección de combustible para mejorar la eficiencia mediante el uso de presiones de inyección más altas: la presión de inyección de 2000 a 2500 bar es típica en los motores modernos de hoy. Esto se produce a expensas de altas pérdidas parásitas en el motor (debido a bombas de muy alta presión, etc.) y son voluminosos y extremadamente caros. Los motores más pequeños a menudo no pueden permitirse el gasto y el volumen de estos sistemas.

Para aumentar la densidad de potencia, a menudo se utilizan motores de 2 tiempos. También los motores turbo o sobrealimentados están ganando una amplia aceptación y popularidad en la actualidad. típicamente son caros y complejos de fabricar y mantener.

La inyección de agua (WI) se ha usado en motores que datan de la Segunda Guerra Mundial para aumentar la potencia de los motores de los aviones. Los investigadores indicaron que la WI también puede aumentar la eficiencia en un orden del 2 al 5 %, dependiendo de cuándo se inyecte el agua durante el ciclo: durante las carreras de compresión, combustión o expansión, o como carrera adicional (los llamados motores de 6 tiempos). El Ejército de EE. UU. también ha llevado a cabo investigaciones exitosas sobre la eliminación de la camisa de agua del motor (refrigeración externa) a favor de la inyección directa de agua como medio para enfriar internamente el motor.

Hasta donde se sabe, nadie ha intentado diseñar una central eléctrica utilizando todas, o al menos la mayoría de las medidas disponibles de manera coherente y sinérgica, es decir, adoptando el enfoque a nivel de sistema para diseñar dicha central eléctrica.

Esta invención es nuestro intento por resolver la alta eficiencia y la alta densidad de potencia para motores grandes y pequeños desde la perspectiva del diseño a nivel de sistema.

Compendio de las realizaciones

La presente solicitud describe realizaciones de motores rotatorios compactos, con una pluralidad de conjuntos de sellado mejorados, que opcionalmente utilizan además la inyección de agua a través del conjunto de sellado para enfriar internamente el motor, reduciendo así la pérdida de calor por refrigeración externo, con la ventaja de que el refrigerante interno combina con el escape del motor, haciendo que el calor combinado del escape y el calor perdido por la refrigeración estén disponibles para un ciclo de fondo del motor, y donde el motor puede mejorar opcionalmente su densidad de potencia al incorporar un mecanismo de sobrealimentación integral.

Según una realización de la invención, se proporciona un conjunto de sello para sellar una holgura entre una superficie axial de un rotor de una máquina rotatoria y una carcasa lateral de la máquina. El conjunto de sello incluye un sello frontal que tiene un miembro exterior (711) que tiene (i) una superficie de contacto axial (715), cargada axialmente contra la carcasa lateral (740) y que reside en una esquina periférica recortada del rotor (725), (ii) al menos otra superficie receptora de presión de fluido (714, 718) y (iii) una superficie de contacto radial interior (719) que se carga radialmente contra el rotor por presión de fluido. El sello frontal y el recorte de esquina periférico del rotor tienen una forma tal que el sello frontal se constriñe a estar dentro del recorte. Además, la superficie de contacto axial y la al menos otra superficie receptora de presión de fluido tienen una forma tal que la presión de fluido provoca una fuerza neta por la que la superficie de contacto axial es empujada axialmente contra la carcasa lateral y la superficie de contacto radial interior del miembro exterior es obligada radialmente contra el rotor.

En el caso de un motor de combustión interna rotatorio (por ejemplo, 101), el fluido que presuriza el sello puede ser el gas de mezcla de aire-combustible que llena cada cámara de trabajo. En otra realización relacionada, el sello frontal incluye además un miembro de puente (713) acoplado al miembro exterior, que se extiende una distancia radial hacia dentro desde el miembro exterior.

En otra realización relacionada, el sello frontal incluye además un resorte cargado axialmente (750) dispuesto entre el miembro de puente y una característica del rotor (724), para provocar carga axial de la superficie de contacto axial contra la carcasa lateral. Opcionalmente, el conjunto de sello incluye un sello secundario (760), dispuesto entre el resorte cargado axialmente y el miembro de puente, de manera que el sello secundario se precarga axialmente por el resorte contra el sello primario. Este sello se energiza además axialmente contra el sello primario (713) y se carga radialmente contra la loma de rotor (721) por la presión de cualquier fluido que haya soplado por la superficie de contacto radial interior.

Algunas realizaciones también incluyen un sello secundario flexible (1304), dispuesto radialmente entre el rotor y el sello frontal.

Algunas realizaciones también incluyen un conjunto de resortes (903), acoplados al sello frontal y al rotor y configurados para tirar del miembro exterior radialmente hacia el eje de rotor.

Algunas realizaciones también incluyen un miembro de placa (1009) conectado al miembro exterior y dispuesto a lo largo de la superficie axial en una dirección radialmente hacia dentro desde el miembro exterior; y una ranura antirrotación (1010) dispuesta dentro del miembro de placa para recibir una loma saliente axialmente correspondiente (1003) del rotor para evitar la rotación del sello frontal con respecto al rotor. En algunas realizaciones, el miembro de placa incluye un conjunto de aberturas (1020) para permitir el paso de aire de refrigeración a través del rotor.

Otra realización enseña un motor de combustión interna mejorado del tipo que usa sellos para cerrar las holguras entre las superficies de un miembro móvil y de una carcasa del motor, el motor tiene una cámara de trabajo y un escape, en donde la mejora incluye: una fuente de un líquido evaporativo presurizado; y un conducto que define un pasadizo del líquido evaporativo a al menos uno de los sellos, de manera que el líquido evaporativo entra en contacto con las superficies y al menos una parte del líquido evaporativo sufre un cambio de fase a gas cuando se expone al calor por las superficies, el gas escapa a la cámara de trabajo del motor y luego se convierte en parte del escape del motor, y el calor se elimina del motor como resultado del cambio de fase. Opcionalmente, el motor de combustión interna es del tipo de pistón alternativo. Opcionalmente, el motor de combustión interna es de tipo rotatorio.

El líquido evaporativo puede ayudar a lubricar la interfaz del sello, al tiempo que elimina el calor del motor, reduciendo o eliminando así los requisitos de refrigeración externa (por ejemplo, la "camisa de agua" que se suele emplear para enfriar un motor puede eliminarse si se proporciona suficiente refrigeración interna). La energía del típicamente, que típicamente se perdería en las camisas de refrigeración externas, se convierte en presión de gas en la cámara de trabajo. Por lo tanto, parte de esta energía se recupera, ya que se realiza más trabajo durante la carrera de expansión (potencia).

Algunas realizaciones también incluyen un intercambiador de calor en el camino del escape del motor para aprovechar la energía asociada con el escape, incluido el cambio de fase del líquido evaporativo. Como alternativa o además, el motor incluye además un segundo motor térmico, el segundo motor térmico convierte la energía del calor de escape en trabajo de árbol adicional.

En algunas realizaciones, el conducto está en comunicación con una red de canales en los sellos del motor.

Otra realización enseña un motor de combustión interna mejorado del tipo que usa holguras entre las superficies de un miembro móvil y de una carcasa del motor, el motor tiene una cámara de trabajo y un escape, en donde la mejora incluye: una fuente de líquido evaporativo presurizado; y un conducto que define un pasadizo del líquido evaporativo hacia al menos una de las holguras, de modo que el líquido evaporativo entra en contacto con las superficies para formar un sello y al menos una parte del líquido evaporativo sufre un cambio de fase a un gas cuando se expone al calor por las superficies, el gas escapa a la cámara de trabajo del motor y luego se convierte en parte del escape del motor, y el calor se elimina del motor como resultado del cambio de fase.

Otra realización enseña un rotor mejorado utilizado en un motor de combustión interna de tipo rotatorio, el rotor tiene un eje de rotación, en donde la mejora incluye: una pluralidad de nervaduras dispuestas radialmente (518) que acoplan una superficie radial del rotor a una parte central del rotor, facilitando las nervaduras el flujo de fluido refrigerante en una dirección axial a través del rotor y proporcionando la integridad estructural del rotor. El fluido refrigerante puede incluir, por ejemplo, aire o una mezcla de aire y combustible, o aire mezclado con un líquido evaporativo.

Algunas realizaciones incluyen además al menos una placa (507 o 508) generalmente perpendicular al eje del rotor y montada para canalizar el flujo axial de fluido refrigerante sobre las nervaduras hacia al menos una abertura entre las nervaduras donde no se ubica la placa. Esto puede dirigir el fluido refrigerante hacia una región de intercambio de calor del rotor. Esto puede incluir, por ejemplo, aletas de refrigeración (506) dispuestas en al menos una abertura y acopladas a la superficie radial del rotor para facilitar la transferencia de calor desde el rotor al menos una placa (507 o 508) generalmente perpendicular al eje del rotor y montado de modo que canalice el flujo de aire axial sobre las nervaduras solo hacia al menos una abertura entre las nervaduras donde no se encuentra la placa; y un conjunto de aletas de refrigeración (506) dispuestas en al menos una abertura para facilitar la transferencia de calor desde el rotor.

Algunas realizaciones incluyen además al menos un bloque de espuma termoconductora (504) dispuesto entre las nervaduras adyacentes del rotor para aumentar el intercambio de calor entre el rotor y el aire de refrigeración.

En otra realización, la invención proporciona un motor mejorado del tipo que incluye un rotor cicloidal que tiene N lóbulos y una carcasa que tiene un conjunto correspondiente de N+1 regiones receptoras de lóbulos para recibir sucesivamente los lóbulos a medida que el rotor rota alrededor de un eje relativo a la carcasa, teniendo la carcasa (i) un par de cubiertas dispuestas axialmente en los lados primero y segundo del rotor, y (ii) un pico dispuesto entre cada par de regiones receptoras de lóbulos adyacentes, al menos una cámara de trabajo formada en un espacio entre el rotor y la carcasa. En esta realización, la mejora incluye una lumbrera de admisión y una lumbrera de escape, estando formada cada lumbrera en la misma de las cubiertas o en una diferente de las cubiertas. La lumbrera de escape se abre antes que la lumbrera de admisión para eliminar el gas quemado de la cámara de trabajo y para llenar la cámara con medio fresco, para proporcionar un funcionamiento de 2 tiempos del motor. Opcionalmente, se suministra un medio fluido presurizado a la lumbrera de admisión. En otra realización relacionada, las lumbreras se ubican asimétricamente.

En algunas realizaciones, las lumbreras se ubican asimétricamente en diferentes cubiertas y, en algunas realizaciones, las lumbreras se ubican asimétricamente en la misma cubierta.

Todavía en otra realización, un conjunto de rotor de una máquina rotatoria incluye un cuerpo de rotor (1201) que tiene una cara radial; y una camisa (1202) dispuesta circunferencialmente sobre la cara radial; en donde la camisa tiene una lengüeta (1203) que sobresale radialmente hacia dentro y el cuerpo de rotor tiene un correspondiente surco radialmente hendido para recibir la lengüeta.

Algunas de estas realizaciones incluyen además un conjunto de sello lateral, dispuesto en la cara radial del cuerpo del rotor, el conjunto de sello lateral tiene un sello primario (1403) y un sello secundario comprimible (1404), estando el sello secundario en contacto con el sello primario. y dispuesto en un surco del cuerpo de rotor. Además, algunas realizaciones incluyen un recorte de esquina periférico para el sello lateral con la forma correspondiente. Además, algunas realizaciones incluyen una lumbrera de admisión para permitir que entre medio fresco en la cámara de trabajo y una lumbrera de escape para permitir que los gases quemados salgan de la cámara de trabajo.

Todavía otras realizaciones incluye un motor rotatorio mejorado del tipo que tiene un rotor que tiene N lóbulos, una lumbrera de admisión para la admisión de un medio de trabajo, una lumbrera de escape y una carcasa con respecto a la que se monta el rotor para el movimiento de rotación con respecto a la carcasa, la carcasa tiene regiones receptoras de lóbulos N+1 y (i) un pico dispuesto entre cada par de regiones receptoras de lóbulos N+1 adyacentes y (ii) un par de lados, las regiones receptoras de lóbulos N+1 configuradas además en relación con el rotor para recibir sucesivamente los N lóbulos a medida que el rotor rota con respecto a la carcasa, a fin de establecer cámaras, una cámara asociada con cada una de las N+1 regiones receptoras de lóbulos, en donde al menos una cámara de las cámaras establecidas se configura para manejar, en sucesión, admisión, compresión del medio de trabajo e inyección de combustible, fases de combustión, expansión y escape, en donde la mejora incluye un rebaje en la carcasa asociado con cada cámara en donde ocurre la combustión, el rebaje tiene una forma asimétrica como para crear un vórtice en el medio de trabajo en el curso de la compresión y la inyección de combustible. En algunas de tales realizaciones, el rebaje tiene una forma alargada similar a una gota que se acomoda a una forma y volumen asociados con una estela de combustible inyectado en el mismo.

Breve descripción de los dibujos

Las características anteriores de las realizaciones se entenderán más fácilmente con referencia a la siguiente descripción detallada, tomada con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La Fig. 1A ilustra esquemáticamente las características de un sistema combinado de calor y energía (CHP) de muy alta eficiencia;

La Fig. 1B ilustra esquemáticamente los beneficios termodinámicos de un sistema CHP ilustrado esquemáticamente en la Fig. 1B;

Las Figs. 2A-2E ilustran esquemáticamente las características del motor, basadas en el ciclo y la geometría de motor X que podrían usarse en el CHP anterior.

Las Figs. 3A-3B ilustran esquemáticamente las características del motor de pistón que podría usarse en el sistema CHP anterior;

La Fig. 4 ilustra esquemáticamente las características del motor de pistón que podría usarse en el sistema CHP anterior;

Las Figs. 5A-5E ilustra esquemáticamente un rotor configurado para implementar sobrealimentación y refrigeración adicional;

Las Figs. 6A-6C ilustran esquemáticamente una realización de un motor de 2 tiempos basado en la geometría de motor X;

Las Figs. 7A-7F ilustran esquemáticamente el diseño del sello frontal de "copa en U";

La Fig. 8 ilustra esquemáticamente una proyección del área superficial de la superficie receptora de presión de fluido de un sello sobre la superficie de contacto axial del sello;

La Fig. 9 ilustra esquemáticamente la mejora potencial del diseño de la "copa en U" mediante la incorporación de resortes adicionales que ayudan al sello de la copa en U a permanecer en contacto con el rotor;

Las Figs. 10A-10B ilustran esquemáticamente una realización de un "sello de placa";

Las Figs. 11A-11D ilustran esquemáticamente realizaciones de sellos estacionarios;

Las Figs. 12A-12C ilustran esquemáticamente una realización de un rotor con camisa;

Las Figs. 13A-13C ilustran esquemáticamente realizaciones adicionales de sellos;

Las Figs. 14A-14L ilustran esquemáticamente realizaciones adicionales de sellos;

Las Figs. 15-16 ilustran esquemáticamente una realización de una cámara de combustión;

Las Figs. 17A-17F ilustran esquemáticamente una realización de un método para producir un rotor de material de "propiedad de gradiente".

Descripción detallada de realizaciones específicas

Diversas realizaciones describen modificaciones a los motores X, que utilizarían una cámara dedicada para implementar el ciclo Rankine de fondo, así como mejoras adicionales en el sellado, la eficiencia de la combustión, todo lo cual contribuye a una alta eficiencia.

Definiciones. Tal como se utilizan en esta descripción y las reivindicaciones adjuntas, los siguientes términos tendrán los significados indicados, a menos que el contexto requiera lo contrario:

Una "máquina rotatoria" es una máquina seleccionada del grupo que consiste en un motor rotatorio, un compresor rotatorio, una bomba rotatoria y un expansor rotatorio.

Un recorte de esquina periférico de un rotor es un recorte, desde el rotor, situado en una extremidad radial del rotor, para provocar una reducción en la extensión axial de la superficie radial del rotor.

Un "sello secundario flexible" es un sello hecho de materiales flexibles o comprimibles, como polímeros o diversos aceros de sección transversal delgada, como juntas tóricas, juntas X, juntas E, juntas C y otros; la característica principal de estos sellos secundarios flexibles es proporcionar un contacto simultáneo entre el rotor y los sellos primarios sin impedir el movimiento del sello primario.

Un "líquido evaporativo" es un líquido que sufre un cambio de fase a gas a las temperaturas y presiones experimentadas en la carcasa de un motor de combustión interna. En este contexto, el agua es un "líquido evaporativo", mientras que el aceite lubricante no es un líquido evaporativo. Un "motor X" es un motor, cuyas realizaciones se describen en la patente de EE. UU. 8,523,546. Un motor X funciona en un Ciclo Híbrido de Alta Eficiencia (HEHC: High Efficiency Hybrid Cycle).

Un "Ciclo Híbrido de Alta Eficiencia" (o "HEHC") es un ciclo como se describe en la patente de EE. UU. 8,523,546, y que puede ser ejecutado por un motor, como un motor X, por ejemplo.

Un "medio" es aire fresco o una mezcla de aire/combustible que entra a la cámara de trabajo del motor durante la carrera de admisión.

Un "material en polvo" puede contener cerámica, grafito, aluminio, magnesio, titanio, aglutinante y otros materiales que son beneficiosos para el rotor de la máquina rotatoria, desde el punto de vista de peso, resistencia, desgaste, fricción, conductividad térmica, coeficiente de expansión térmica, etc.

Un "proceso de compactación y sinterización" comprende una familia de tecnologías de producción que procesan una materia prima en forma de polvo para fabricar componentes de diversos tipos. Estas tecnologías de producción generalmente involucran todos o la mayoría de las siguientes etapas de proceso:

a) Formación del polvo mixto hasta un compacto (el proceso de consolidación dominante implica presionar en un conjunto de herramientas rígidas, que comprende un troquel, punzones y, posiblemente, mandriles o varillas sacatestigos. Sin embargo, hay otros varios procesos de consolidación que se utilizan en aplicaciones de nicho.

b) Sinterización del compacto para mejorar la integridad y la resistencia. Esta etapa de proceso implica el calentamiento del material, usualmente en una atmósfera protectora, a una temperatura que está por debajo del punto de fusión del componente principal. En algunos casos, un constituyente minoritario puede formar una fase líquida a la temperatura de sinterización; tales casos se describen como sinterización en fase líquida.

Los mecanismos implicados en la sinterización en fase sólida y en fase líquida se analizan brevemente en una sección posterior.

La solicitud de patente de EE. UU. publicada n.° 2014/0209056, publicada el 31 de julio de 2014 (solicitud de patente # 14/163.654, presentada el 01/24/2014), describe la geometría de motor X con cámaras especiales dedicadas que podrían usarse para bombear, compresión u otros propósitos, mientras que las cámaras restantes del motor se usan para procesos de combustión interna convencionales.

La patente n.° 8,523,546 describe motores rotatorios, que se denominarán "motores X", que funcionan en ciclo híbrido de alta eficiencia (HEHC). Si bien el ciclo HEHC es intrínsecamente más eficiente e intenta recuperar la mayor cantidad de energía posible del escape mediante una sobreexpansión, queda, no obstante, una energía térmica significativa en el escape y la refrigeración.

La presente solicitud se refiere a mejoras en rotores y sellos y componentes relacionados para uso en cualquiera de (1) un motor rotatorio epitrocoidal del tipo general descrito en las patentes de EE. UU. 8,863,724 y 8,523,546, (2) un compresor rotatorio, o (3) una bomba rotatoria. La Fig. 2 muestra una realización típica del tipo al que son aplicables las mejoras que se muestran en esta memoria. Patentes de EE. UU. 8,863,724 y 8,523,546.

Ciclo de funcionamiento del motor X

Los motores HEHC X utilizan un ciclo de cuatro tiempos que incorpora admisión, compresión, combustión y expansión y escape. Cada una de estas carreras ocurre secuencialmente dentro de cada una de las dos cámaras de motor. El motor tiene lumbreras, lo que permite un funcionamiento completo de 4 tiempos sin el uso de válvulas de retención. El aire y el combustible se enrutan a través del rotor para entrar o salir de una cámara de combustión determinada. La asimetría en la ubicación de las lumbreras de admisión y escape provoca una expansión excesiva. La combustión de volumen constante se logra atrapando el volumen de aire y combustible dentro de cada una de las cámaras de combustión aisladas durante un período prolongado mientras el rotor gira y el arco de la parte superior del rotor se alinea con el arco de la carcasa. Por lo tanto, los aspectos únicos de la geometría del motor permiten que el motor incorpore el ciclo HEHC.

La mejora de eficiencia se basa en la termodinámica, mediante la integración de: 1) un ciclo termodinámico altamente optimizado denominado Ciclo Híbrido de Alta Eficiencia (HEHC), descrito en la patente de LiquidPiston n.° 8,523,546; el ciclo combina una alta relación de compresión, combustión a volumen constante y sobreexpansión; 2) el motor se aísla térmicamente externamente y se enfría usando inyección de agua (WI) interna (en el cilindro) (o más generalmente, inyección de fluido evaporativo); a medida que esta agua se convierte en vapor (el fluido evaporativo se convierte en gas), genera presión en la cámara, lo que permite la recuperación parcial de las pérdidas por refrigeración mientras se reduce la temperatura del gas y del cilindro; 3) tanto el calor del escape como el calor de la refrigeración interna por agua/vapor se recuperan a través de un ciclo Rankine de fondo integral al motor base.

En el motor X, la inyección de agua (WI) utilizada para la refrigeración interna se puede inyectar o insertar en el cilindro en los puntos de sellado del motor, mejorando así el sellado y eliminando o reduciendo potencialmente la necesidad de lubricación con aceite. Sin aceite, el motor puede funcionar más caliente, las emisiones serán mejores y habrá menos requisitos de mantenimiento.

La Fig. 1A ilustra una realización de un sistema combinado de calor y energía (CHP) 100 de muy alta eficiencia. Como ejemplo, se usará un sistema de 1kWe en todas partes, pero el concepto también es aplicable para sistemas mucho más grandes.

Un motor rotatorio X, "E", que funciona con cualquier combustible adecuado, por ejemplo, con Gas Natural (GN), se acopla a un alternador "A", que proporciona 1 kW de energía eléctrica a la interconexión de red / Caja de electrónica de potencia " I". El motor contiene 3 cámaras, dos de las cuales, denominadas cámaras E_^hehc, queman gas natural, y la tercera, denominada E_^vapor, se utiliza para un ciclo de fondo de Rankine (vapor) (véase la Fig. 2a para ver la definición de las cámaras y la Fig. 1B para ver el balance de energía del sistema). Los inyectores correspondientes inyectan NG en las cámaras E_^hehc (o cualquier otro combustible, según lo requiera el diseño) y un inyector de vapor inyecta vapor en la cámara E_^vapor. Una unidad de control electrónico "ECU" controla el combustible del motor E, el alternador A y la válvula de 2 vías "2-w". La inyección de agua se utilizará para la refrigeración, la lubricación y la recuperación interna del calor residual. El agua se suministra desde el grifo residencial a un desionizador "de-I", luego enfría el alternador "A" y fluye entrando a la bomba de alta presión "P" y luego al pequeño intercambiador de calor "HE1", donde el calor de los gases de escape se transfiere a esta agua convirtiéndola en vapor supercalentado, que luego se inyecta en la cámara de ciclo de fondo del motor.

Dos de las 3 cámaras del motor funcionan con HEHC. El escape del motor pasa por un intercambiador de calor que produce vapor supercalentado. Los 3a La cámara del motor usa un ciclo de fondo Rankine, con vapor inyectado en el PMS.

En la realización propuesta del motor, se utiliza agua/vapor como mecanismo de refrigeración, sellado, lubricación y recuperación de calor. Solo se necesita una pequeña cantidad de agua para enfriar el rotor (~ 30 % de la masa del aire de admisión), y el aceite puede eliminarse por completo del sistema. La temperatura de funcionamiento del motor se puede aumentar hasta 400 °C, ya que no se requiere una película de aceite (en lugar de los 180 °C que son típicos con una película de aceite).

En la Fig. 2 a) se muestra el motor X de 3 cámaras con la cubierta delantera quitada. Comprende carcasa (201), placas de cubierta (202) y (206, Fig. 2 b)), un rotor (203), tres sellos de ápice (204) y dos sellos frontales (205). Una carga de aire de admisión (235) fluye entrando a la cámara a través del árbol (233) y la lumbrera de admisión (232). Los espacios de la cámara de trabajo están delimitados por el rotor, la carcasa y dos placas de cubierta. En el ciclo de superior propuesto, dos de las cámaras de trabajo, denominadas "E_^hehc" - se configurarán como cámaras de disparo que ejecutan el ciclo HEHC-SI de 2 o 4 tiempos. La tercera cámara, denominada "E_^vapor", se dedicará al ciclo de fondo (véase la Fig. 2 a)).

Se usa un revestimiento de barrera térmica en las superficies internas de la carcasa y las cubiertas o el aislamiento térmico alrededor de la carcasa (no se muestra) para mantener dentro la mayor parte del calor de combustión. No hay contacto de la carcasa con ninguna pieza móvil, excepto el sello de ápice, por lo que, la carcasa no debe enfriarse si se proporciona una refrigeración dedicada a los sellos de ápice. Los únicos componentes que deben enfriarse son el rotor y todos los sellos; estos se enfrían internamente con agua bombeada a través de los sellos de motor. El flujo de agua se muestra en la Fig. 2 b). Las flechas rojas (271-ent y 271-sal, 272-ent y 272-sal, 273-ent y 273-sal) muestran el flujo de agua a través de los orificios de medición (262) en la placa de cubierta (206) en dirección axial a través de cada uno de los sellos de ápice (204); estos flujos salen por el otro lado del motor a través de la placa de cubierta (202, Fig. 2 a)). La Fig. 2 e) proporciona un detalle del flujo (271) a través del sello (204). El sello de ápice se describe en la solicitud #: 13/434.827, presentada el 03/29/2012 (y también en el documento US 8,523,546), así como a continuación. Se forma por dos mitades (241 y 242), energizadas por resorte (244); estos dos mitades se deslizan entre sí como se muestra con flechas verdes y permiten que el agua, que fluye a través del canal (243), fugue a través de esta interfaz deslizante hacia el rotor (203). En la Fig. 2 d) se muestra una segunda versión del sello de ápice. Tiene almohadilla (245) energizada por resorte (244) y rodillo cerámico (246). El agua fluye a través del canal en la almohadilla y, el rodillo la arrastra y la esparce sobre el rotor. Debido a que los sellos de ápice son estacionarios dentro de la carcasa, el agua fluye continuamente a través de ellos.

El flujo de agua sobre los sellos frontales (205) es tridimensional, como se muestra en las Fig. 2.b y 2.c. Una corriente de agua (281-ent) entra en el orificio de medición (261) en la placa de cubierta (206) en la dirección axial; se mete en un surco en la superficie de contacto del sello frontal de copa en U (205, Fig. 2 c)). El sello frontal de copa en U se analiza en las Figuras 8 y 13 a continuación. Desde aquí, el flujo (281-entrada) se divide en dos direcciones, como lo muestran las flechas discontinuas. El agua fluye en el surco y sale (281-sal) en dos lugares desde la misma placa de cubierta; obsérvese cómo las flechas de flujo cambian la dirección. Debido a la geometría única de los motores X, el surco en el sello frontal (205) está siempre y simultáneamente expuesto a los orificios de entrada (262) y salida (263), lo que permite que el agua fluya continuamente a través de las interfaces de sello frontal/cubierta.

El agua, como se ha dicho anteriormente, no solo enfría los sellos sino que también ayuda a sellarse. Sin embargo, el sellado no es perfecto; algo de agua fuga a las cámaras y esto constituye la inyección de agua como se ha descrito anteriormente. Además, esta agua que fluye a través de las interfaces calientes de sello de ápice/rotor y de sello frontal/cubierta forma una mezcla de agua/vapor que, parcialmente, se evapora y se sobrecalienta en las paredes del rotor y las placas de cubierta. Esta mezcla de agua/vapor tiene seis funciones distintas:

1) el vapor supercalentado cuando se gasta, genera energía adicional a expensas del calor extraído del rotor y las placas de cubierta,

2) se aumenta la eficiencia, como resultado de la recuperación parcial del calor residual; este calor normalmente se pierde en el medio ambiente por la refrigeración del agua en la camisa del motor,

3) la refrigeración tanto del rotor como de las placas de cubierta se lleva a cabo mediante la evaporación de agua,

4) para lubricar la interfaz entre el rotor (pistón) y el cilindro,

5) para sellar el rotor (pistón), y

6) para crear una reserva más grande de energía de alta calidad, ya que el vapor que entra a las cámaras finalmente se agotaría y se combinaría con el escape del motor

Haciendo referencia a la Fig. 1B: se modela la termodinámica del cilindro (puntos 1-4, dentro del diagrama del ciclo HEHC dentro de la E_ ^hehc parte del motor) con un código de simulación 1-D GT-Power para un motor pequeño de 1 kWe.

Los gases de escape y el vapor de agua salen de la cámara por el punto (4) y entran a un convertidor catalítico (CAT), donde el combustible no quemado se oxida aún más y sale con los parámetros (5). Luego, la mezcla de gas/vapor entra al intercambiador de calor n.° 1 (HE1) y sale por el punto (6), emitiendo calor al agua que entra al segundo circuito de HE1. Después de HE1, la mezcla de gas/vapor quemado entra en el eyector, donde se mezcla con el vapor de baja presión que sale de E_^vapor en el punto (10).

El agua, suministrada desde el grifo y desionizada en "de-I" (Fig. 1A) entra y enfría el alternador y entra a la Bomba en el punto (7, Fig. 1B). El agua sale de la bomba en el punto (8, Fig. 1B), donde, como se describe arriba, entra a HE1. El agua sale de HE1 en el punto (9, Fig. 1B) como vapor supercalentado y entra a E_^vapor, donde se expande hasta el punto (10, Fig. 1B) y entra en el Eyector donde se mezcla con los escapes de E^hehc, como se ha descrito anteriormente. Los gases de escape y el vapor se dirigen a una válvula de 2 vías. La cámara de E_^vapor, por lo tanto, del motor ejecuta un ciclo de fondo, recuperando parte del calor residual que, de otro modo, es expulsado por la refrigeración y el escape del motor.

Análisis de modelado termodinámico

El motor alimenta un alternador comercial listo para usar (suponiendo una eficiencia del 96 %, según la FOA). La eficiencia incluye el motor base HEHC, así como un componente de ciclo de fondo adicional. La eficiencia del componente HEHC (con WI) es:

ηmotor _ ηcomb ' η¡nd ' ηm ■ awi _ 0,95 * 0,38 * 0,875 * 1,052 — 32,3 %.

La eficiencia indicada del motor, ηind, se reduce por la ineficiencia de la combustión, ηcomb y la ineficiencia mecánica, ηm. Asumimos una estimación conservadora para el aumento en BTE (1,052) debido a la inyección de agua (awi).

La eficiencia de frenado del ciclo Rankine de fondo (bRc) riRankine — 19,6 %. Obsérvese que aproximadamente el 79 % del calor de escape/refrigeración está disponible como entrada para el ciclo de Rankine.

La eficiencia de frenado del ciclo de motor X y de fondo (HEHC junto con bRc) es:

ηmotor+BC _ ηmotor (1- ηmotor) OBC_AVAL ' l~|bRc — 0,323 (1-0,323)*0,795*0,196 — 42,9 %.

Finalmente, la eficiencia general del grupo electrógeno (incluido el alternador) es ηgenerador — 42,9*0,96 — 41,2 %;

El ciclo HEHC se mejorará con la inyección de agua, lo que eliminará la refrigeración externa del motor y el alternador, además de proporcionar un medio simple para un "ciclo de fondo" eficiente. La presencia de agua y vapor se aprovecha tanto en beneficios ambientales como de fiabilidad. El uso de aceite puede eliminarse por completo en favor de la lubricación con vapor. La refrigeración interna combinada con el aislamiento externo mantiene el calor dentro del sistema y, al mismo tiempo, garantiza un funcionamiento silencioso.

Para estimar la eficiencia eléctrica del sistema CHP propuesto, se realizó un análisis con dos conjuntos de supuestos: conservador y agresivo. Los supuestos que se utilizaron para el modelo 1-D de E_^hehc y los resultados obtenidos son los siguientes [Eficiencia Térmica del Freno — (BTE)]:

Tabla 1 - Análisis conservador y agresivo de prestaciones del motor.

Detalles del modelo: Los 4 tiempos de los procesos del motor (E_^hehc) se modelan en una simulación GT-Power (1-D) del motor X. El modelo tiene información de geometría adecuada, incluido el volumen, el área de superficie, las áreas de lumbreras y otras características del motor X-Mini.

El aire se introduce a través del árbol y la lumbrera de admisión.

El aire se comprime (1^2). La transferencia de calor (modelo tipo Woschni) y la fuga (blowby) se modelan como flujo a través de un orificio que sale de la cámara. Parte de la fuga es hacia las cámaras adyacentes y otra parte hacia la atmósfera.

Se inyecta gas natural en cualquier momento después del cierre de la lumbrera de admisión.

El aire/combustible se quema de 2 ^ 3 utilizando una función Wiebe para emular la liberación de calor en fases temporales. Se asume una eficiencia de combustión del 95 %. El volumen durante esta fase es aproximadamente constante.

Los productos de combustión se expanden 3 ^4 , teniendo en cuenta nuevamente las fugas y la transferencia de calor. La sobreexpansión continúa hasta que se alcanza la presión atmosférica.

Los productos de combustión se expulsan a través de una lumbrera de escape en el rotor, a través de ventanas en la cubierta y entran al convertidor catalítico (CAT, Figuras 1 y 2).

En CAT, el combustible restante se oxida aún más y aumenta la temperatura de escape.

Desde CAT, los escapes se dirigen a un intercambiador de calor, HE1

Es desafiante modelar agua y vapor en la simulación GT-Power. En el análisis presentado aquí, modelamos HEHC (sin inyección de agua), pero asumimos que son posibles ganancias de eficiencia del 5 % (conservador) o del 22 % (agresivo) según la investigación bibliográfica.

El resto de los cálculos se realizaron mediante tablas agua/vapor. Para intercambio de calor HE1:

Me (h6 - h5) = Mw (hg - frn) = Qhei = 1,32 kW-calor intercambiado en HE1 (1) donde:

M^e es la masa de gases de escape que sale E_^hehc -(a partir de la simulación 1D de E_^hehc)

h¹ -h6 son entalpias de gas en los puntos 1 a 6 (de simulación 1D)

La masa de agua que entra al HE1 se puede encontrar a partir de la ec. (1):

(1 ):Mw = 0,0004 kg/s es el flujo de agua

h7-h10 son entalpias de agua/vapor en los puntos 7 a 10.

El h7 - da la condición del agua que sale del alternador (el aumento de la temperatura del agua en el alternador es mínimo - 12 grados C). Una vez que se elige la presión de la bomba (se supone 40 bar), todos los demás puntos de E_^vapor se podía encontrar en las tablas de agua/vapor.

Todos los parámetros restantes a continuación se muestran como suposiciones "conservadoras" para ahorrar espacio: qen = 2,45 kW (poder calorífico inferior de entrada de combustible, dado como parámetro)

W ^out = W ^hehc + W ^vapor - W ^bomba

= 0,792 kW 0,2604 kW - 0,0016 kW= 1,05 kW

W ^hehc_ Indicado = 0, 931 kW (trabajo neto indicado del modelo GT-Power del motor HEHC)

La eficiencia "cascada" para motor E_hehc es:

ηHEHc = ηcom'ηInd'ηWI 'Orn = 0,95 * 0,38 * 1,052 * 0,85 = 32,3 % -- eficiencia de frenado (ηcomb = 95 % -- eficiencia de combustión supuesta; ηInd = 38 % - resultado de simulación 1-d de GT-Power con suposiciones "conservadoras"; ηm = 85 % -- medido en LPI (corresponde al 5 % de pérdidas por fricción BTE totales); qwi = 1,052 - Suposición conservadora para la ganancia de eficiencia por el uso de WI);

Ws = Mw (h¹⁰ - hg) ηise_s = 0,2604 kW - el trabajo producido por el vapor de agua en E_VAPOR suponiendo

r)ise_S = 0,7 (típicamente, ηise_s varía del 65 % al 85 %);

W p = Mw (h8 - h7) ηse_p = 0,0016 kW - en trabajo necesario para impulsar la bomba

La eficiencia completa del motor X, con WI y Rankine de fondo es, entonces:

Considerando una eficiencia del alternador del 96 %, obtenemos la eficiencia total del generador:

Repetir (y omitir detalles) para un escenario agresivo nos da ngenerador = 47,7 %

Por lo tanto, tanto para escenarios conservadores como agresivos, la eficiencia del generador propuesto superará el 40 % requerido, mientras proporciona 1 kWe y un poco más de 1 kW de calor utilizable a temperaturas > 100 °C.

Cabe señalar que se pueden utilizar inyectores de gas en lugar de inyectores de vapor, si resulta beneficioso utilizar aire comprimido o nitrógeno, o aire líquido a alta presión o nitrógeno.

En otra realización de la invención propuesta, que se muestra en la Fig. 3A, la Fig. 3B y la Fig. 4, se utiliza una configuración de pistón del motor de combustión interna 300; sólo se muestra un único pistón 303, que forma un motor de 2 cilindros 300, pero es igualmente adecuado para geometrías de múltiples pistones.

La Fig. 3a) proporciona una vista general del motor 300; la Fig. 3b) es una sección transversal que muestra el paso del agua a través de la carcasa hacia el pistón y a través de las surcos. La Fig. 4 es una sección transversal que muestra los surcos 304 tanto en el pistón como en la carcasa, así como la "línea de suministro" 305. En la realización mostrada, el agua se suministra a través de conductos en el miembro móvil (pistón 303), pero en realizaciones alternativas (no como se muestra), se puede suministrar agua directamente a la superficie de sellado a través de un conducto en la carcasa.

Las cámaras de combustión 306 con válvulas y los inyectores de combustible 307 y agua (308) se muestran en el lado del motor, como una posible configuración. Además o en lugar de inyectores de combustible y agua, una o ambas cámaras podrían usar inyectores de vapor y/o gas (no mostrados); el vapor y/o el gas a alta temperatura y alta presión se formarían fuera del motor. Además, podrían usarse bujías (que no se muestran), si es necesario, para encender la mezcla de aire/combustible. Se pueden utilizar inyecciones de agua de forma intermitente o simultánea con las inyecciones de combustible y/o gas. La inclusión de un inyector de vapor permitiría la ejecución de un ciclo Rankine de fondo, similar al motor X descrito anteriormente. El flujo de agua se muestra como líneas discontinuas azules en la Fig. 3B. El agua de refrigeración 301-ent entra a la carcasa a través de las líneas de suministro de agua dentro del pistón hacia los surcos de los pistones, Fig. 4. Esta agua, que fluye dentro de los surcos del pistón, enfría simultáneamente el cilindro y el pistón y también sella el holgura entre el pistón y el cilindro, sirviendo así como sello. El agua se evaporará parcialmente, formando una mezcla de agua y vapor que también sirve como lubricante. Nuevamente, como en el caso del motor X, el vapor que escapa de dichos sellos se mezclaría con el gas del cilindro y finalmente se expulsaría del motor y se dirigiría a un intercambiador de calor: caldera/sobrecalentador, donde se formará vapor nuevo para ser inyectado en el motor a través de los inyectores de vapor, implementando así el ciclo Rankine de fondo.

Los mismos seis beneficios descritos para el motor X se aplicarán al motor de pistón en las Figs. 3A, 3B y 4.

Las Fig. 5 a) y b) brindan algunos detalles de las modificaciones al rotor que podrían ser útiles para evitar la pérdida de aire de refrigeración presurizado para sobrealimentar el motor bloqueando estratégicamente el área de la nervadura de la lumbrera de escape con una placa (501) en un lado, bloqueando así aire de refrigeración (502) desde la lumbrera de escape de presurización (503). La Fig. 5 a) también demuestra el uso de espuma térmicamente conductora (504) para mejorar la eficiencia de la transferencia de calor desde el costado del rotor (505) en aplicaciones enfriadas por aire. Además de la espuma, las pequeñas nervaduras o "aletas" (506), integral en el costado del rotor, son muy eficaces para enfriar el rotor. El flujo de aire de refrigeración en las proximidades del cubo del rotor no es efectivo ya que las temperaturas de las nervaduras en esta región son relativamente bajas. Podrían usarse placas (507) para dirigir el flujo de aire solo al área de la nervadura para conservar los requisitos de flujo de aire de refrigeración. Alternativamente, placas (508), ubicadas en diferentes planos axiales del rotor, podrían impartir un patrón de flujo de aire en zigzag, que a su vez aumenta la efectividad del intercambio de calor.

Diseño de 2 tiempos

Como se ha mencionado anteriormente, el diseño del motor X es adecuado tanto para operaciones de 2 tiempos como de 4 tiempos. La realización de 2 tiempos del motor X se muestra en la Fig. 6 a) y b); Motor X de lumbrera lateral, que utiliza un rotor de 2 lóbulos y una carcasa de 3 lóbulos. En esta figura, la placa de cubierta delantera no se muestra para facilitar la visualización. El rotor (602), que se muestra en la posición de punto muerto inferior, rota alrededor del cigüeñal (605), sincronizado con la carcasa (601) y la placa de cubierta (604) a través de un mecanismo de engranajes. A medida que rota el rotor (602), sus sellos (no mostrados) cruzan las lumbreras (603, 606 y 607), cerrándolos o abriéndolos efectivamente a sus respectivas cámaras de trabajo. Las lumbreras (603, 606 y 607) se pueden hacer en cualquiera de las placas laterales, pero pueden ser diferentes en forma o ubicación a las lumbreras (603, 606 y 607) y se pueden hacer en la misma cubierta lateral (604) y/o en la cubierta lateral opuesta (no se muestra) y se coloca y conecta para actuar como lumbrera de admisión o escape (oculto en esta vista).

Las ventanas (609) son opcionales. Un motor de esta configuración podría utilizarse con cualquiera de los métodos de combustión disponibles (encendido por chispa, encendido por compresión, HCCI, etc.)

El rotor (602), como se muestra, es de naturaleza simétrica, aunque también son posibles los diseños asimétricos y funcionarían de manera similar. En esta configuración, ambos lóbulos del rotor se utilizan para las partes de compresión y expansión del ciclo. Las nervaduras (608) que se muestran en este rotor son opcionales. Ambos lados del rotor podrían hacerse sólidos (no se muestra).

La figura 6.b) muestra la posible configuración de una arquitectura de motor X de 2 tiempos por áreas de lumbrera. Las lumbreras 3-a (admisión) y 3-b (escape) podrían ubicarse en una o ambas cubiertas laterales y/o podrían superponerse. En general, la lumbrera de escape se abriría primero, lo que provocaría que el gas expandido comenzara a salir. El flujo de aire hacia la lumbrera de escape se reanuda cuando se abre la admisión, y este flujo ayuda a atraer la carga de admisión, como es típico en un motor de pistón de 2 tiempos con lumbreras. Otro enfoque es hacer fluir aire presurizado a través de la admisión, p. ej. una "cortina de aire" para garantizar que entre aire fresco en el motor y se evacuen los gases de escape.

Los sellos (no mostrados) del rotor (602) cruzan estas lumbreras y efectivamente los abren y cierran para que no se comuniquen con la cámara de trabajo (604). La forma y las ubicaciones de las lumbreras (603-a, 603-b) determinan la sincronización de la lumbrera, el área de flujo de la lumbrera, la superposición de la lumbrera, la relación de compresión y otros parámetros críticos del motor. Una ventaja que esto tiene sobre el motor de pistón de 2 tiempos de lumbrera convencional (con simetría de lumbrera sobre el punto muerto inferior) es la capacidad de tener una sincronización de lumbrera que es asimétrica con respecto al punto muerto inferior del motor. Una forma de usar esta ventaja es cerrar la lumbrera de admisión después de que la lumbrera de escape se cierre al pasar por el ciclo. Esto, junto con la inducción forzada de algún tipo (un sobrealimentador o un turbocompresor, o como se muestra arriba, especialmente un sobrealimentador de compresión por eyección), permite que la cámara de trabajo se presurice externamente con aire fresco, atrapando efectivamente más masa de aire fresco, lo que permite que el motor produzca más potencia. Otra forma en que podría usarse la sincronización asimétrica de la lumbrera sobre el punto muerto superior o inferior es producir un ciclo sobreexpandido. En este diseño también se usa inducción forzada para eliminar los residuos durante el período de superposición de la lumbrera y reemplazarlos con fluido de trabajo nuevo. La forma de la lumbrera, el área y el diseño y la forma aguas arriba son fundamentales para producir las características de rendimiento deseadas y pueden adoptar muchas formas diferentes.

Este funcionamiento de 2 tiempos también es aplicable para cualquier rotor de N lóbulos y carcasa de (N+1) lóbulos. Un caso específico cuando N=1 se muestra en la Fig. 6 c), es decir, el rotor tiene 1 lóbulo y la carcasa tiene 2 lóbulos. La forma, función o ubicación de las ventanas (603) podría ser la misma que se muestra en la Fig. 6 o diferente.

El motor puede usar una combinación de lumbreras o válvulas de retención para admisión y escape.

Sellos

Independientemente de lo eficiente que sea el ciclo o el diseño, si los sellos no funcionan bien, no se puede esperar una alta eficiencia del motor. Por lo tanto, para aumentar aún más la eficiencia del motor, es fundamental aumentar la eficacia de los sellos. Las realizaciones a continuación demuestran los conceptos para las mejoras del sello para las geometrías del motor X. Los sellos diseñados e implementados para la geometría del motor X, especialmente el sello de copa en U a continuación, mejoraron significativamente el rendimiento medido de los motores rotatorios X, y el rendimiento del sellado superó al de un motor de estilo Wankel estándar y se acercó al de un motor de pistón convencional. Cabe señalar que estos sellos podrían ser utilizados en compresores o bombas, además de en cualquier motor, por lo que hablaremos de fluidos, gases o líquidos, como los medios que necesitan ser sellados. En muchos casos los sellos pueden generalizarse para trabajar en otros tipos de motores rotatorios o de pistones, compresores o bombas.

El sello de copa en U (710) se muestra en la Fig. 7, a) a d), junto con un rotor (720) y un sello de ápice (730, Fig. 7 c)). Tiene una sección transversal en forma de U (Fig. 7 c) - e)), que consiste en pata delantera (711), pata posterior (712) y puente (713) que conecta estas dos patas. El sello (710) se sitúa en la loma de forma correspondiente del rotor (721). La superficie radial (714) de la pata delantera del sello de copa en U se expone al fluido que se está sellando (líquido o gas). Esta superficie (714) tiene un DE igual o ligeramente menor que el DE del rotor (722) para evitar el contacto con el sello del ápice (730) que monta sobre dicha superficie radial del rotor (722). La presión de fluido que actúa sobre la superficie (714) fuerza a la pata (711) del sello a asumir el contacto con la loma (721), sellando así un camino de fuga para el fluido. La superficie axial (715) de la pata delantera del sello de copa en U está en contacto con las cubiertas laterales estacionarias (740) del motor. La función de la pata trasera (712) es evitar que el sello se separe radialmente o se deslice fuera de la loma del rotor (721), ya que el sello puede tener una holgura opcional (717, Fig. 7 a)). La característica antirrotación (716, Fig. 7 a)) en el sello coincide con la cavidad en el rotor. Excepto por la precarga inicial proporcionada por los resortes (750) ubicados en los orificios (722) de la loma del rotor, el sello de la copa en U es accionado por gas: la presión del fluido que actúa sobre la segunda superficie expuesta al fluido (718) proporciona fuerza axial en la dirección de la flecha que fuerza el sello hacia la cubierta lateral (740). Así, el fluido presuriza las superficies (714) y (718), forzando el sello contra la cubierta estacionaria y contra la loma (721). Para garantizar que no se levante el sello del miembro estacionario (cubierta), el área de la superficie (715), en contacto con la cubierta, debe ser menor que la suma de las proyecciones de las áreas (714) y (718) sobre la superficie (715). Por ejemplo, la Fig. 8 ilustra esquemáticamente una proyección 726 del área superficial de la superficie receptora de presión de fluido (por ejemplo, 718; 714) de un sello sobre la superficie de contacto axial 715 del sello, o alternativamente, una proyección 726 del área superficial de la superficie receptora de presión de fluido (por ejemplo, 718; 714) de un sello sobre un plano definido por la cubierta lateral 740, una proyección 727 de una superficie receptora de presión de fluido (por ejemplo, 718; 714) sobre la misma cubierta lateral 740. El cálculo de esta área (715) es bastante complejo, pero los principios generales son que las fuerzas dinámicas que actúan sobre el sello de la copa en U (precarga del resorte, presión del gas, fuerzas de fricción e inercia) no levantarían el sello de la cubierta lateral (740) y también las fuerzas de fricción deben ser minimizadas. También se puede usar un sello de tira secundario (opcional) (760, Fig. 7 d)) para mejorar aún más las características de sellado del sello de copa en U, y también puede ayudar a energizar y proporcionar estabilidad al sello de copa en U principal. Tal sello secundario, colocado en un surco convencional dentro de un rotor (Fig. 7 f)), podría usarse en lugar de la loma (721).

Todavía otra mejora se muestra en la Fig. 7 e). Esta configuración consiste en el sello de copa en U colocado no en la loma del rotor sino en el borde del rotor (722) y el sello de ápice de 4 piezas (731, 732, 733 y 734), de ahí el nombre "Sello 4P”. El conjunto rotor-sello consiste en el rotor (720), sellos de copa en U (710), carcasa (770), un sello de tira interna opcional (760), triángulo de sello de ápice (733), pieza larga de sello de ápice (732), sellos de botón (731 y 734), resortes helicoidales (750) y resorte plano (780). El De de los sellos de copa en U (710) es mayor que el DE del rotor (720); el triángulo del sello de ápice (733) y la pieza larga del sello de ápice (732) están en contacto con el rotor (720), mientras que dos sellos de copa en U (710) están en contacto en el d E con los botones (731 y 734). Todos los componentes de los sellos son activados por resorte y fluido. La carcasa (770) tiene el surco (que no se muestra) recortado para que el sello de la copa en U encaje cuando el rotor está en la posición de punto muerto superior. Dado que los segmentos de botón del sello de ápice discurren continuamente sobre la superficie radial del sello de copa en U, la división en el sello de copa en U no debe hacerse perpendicular a la superficie que contacta con el miembro estacionario, sino en un ángulo pronunciado, digamos 15 grados. Esto permite que los sellos de los botones se deslicen suavemente sobre la división.

La Fig. 9 muestra resortes opcionales (903) que podrían ayudar al sello de la copa en U a permanecer en contacto con la loma en la "cintura" del rotor; estos segmentos tienden a alejarse de la loma debido a las fuerzas centrífugas y la fricción.

En la Fig. 10 se muestra otra realización del sello frontal, un sello frontal de placa (1002) situado en el borde del rotor (1001). El sello frontal de la placa (1002) se puede fabricar mediante grabado químico, corte por láser, mecanizado o cualquier otra tecnología adecuada. El sello de la placa tiene una ranura antirrotación en contacto con una loma (1003). Además, si la placa se hace con un material de alta resistencia, alto límite elástico y módulo bajo, no se necesitan resortes adicionales para energizar el sello; una pequeña loma (1006) en el rotor empujará el sello de la placa hacia las cubiertas, mientras que la presión del fluido tomará el control durante el funcionamiento del dispositivo.

Para garantizar el funcionamiento adecuado del sello, el diámetro interior del sello frontal de la placa (1004) es ligeramente mayor que el DE del surco del rotor (1005), mientras que el DE de la placa debe ser ligeramente menor que el DE del rotor.

Para garantizar que el sello no se levante del miembro estacionario, aquí se aplica la misma regla utilizada para el sello de copa en U, es decir, el área de la pata del sello en contacto con la superficie estacionaria debe ser menor que la suma de las proyecciones de áreas expuestas a fluido a presión sobre dicha superficie.

En la Fig. 11 se muestra otra realización del sello frontal: un sello de tira estacionario (1102) situado dentro de un surco en las cubiertas (1104). El conjunto de sello consiste en el rotor (1101), el sello estacionario (1102), el sello de botón (1103), la cubierta (1104), el conjunto de sello de ápice (1105) y el resorte plano (1106). El sello estacionario (1102) y el sello de botón (1103) se asientan en el surco de sello en la cubierta (1104). El rotor (1101) tiene superficies planas en los lados. El rotor (1101), el conjunto de sello de ápice (1105), los sellos estacionarios (1102) y los sellos de botón (1103) y la carcasa juntos formaron una cámara de sellado. El resorte plano (1106) está empujando el conjunto de sello de ápice (1105) hacia el DE del rotor (1101). Los resortes helicoidales empujan los sellos estacionarios (1102) y los sellos de botón (1103) hacia la superficie lateral del rotor (1101).

El rotor del motor puede hacerse de un solo material, como acero, aluminio, cerámica, etc., o hacerse de dos o más materiales. La Fig. 12 muestra un ejemplo de cómo se podría fabricar un rotor con una camisa, lo que podría darle al rotor algunas propiedades avanzadas, como índices de desgaste y fricción bajos, capacidad para altas temperaturas, etc. El rotor (1201) se muestra insertado en la camisa (1202) en la Fig. 12 a). La característica de "machihembrado" (1203) en la camisa y el rotor podría usarse para mantener la camisa congruente con el rotor así como la característica de desrotación. Además, la camisa podría usarse como una loma de rotor que se requiere en muchos diseños de sellos presentados anteriormente; como ejemplo, véase la Fig. 12 c) que muestra el sello estilo copa en U (1205), montado en la camisa (1202). Finalmente, la camisa o el propio rotor pueden tener algunas características de flujo (1204) , que podrían, potencialmente, limitar la cantidad de retorno de gas quemado durante la carrera de admisión.

Las Figuras 13 a)-c) muestran variaciones adicionales del sello de copa en U, que incluyen diversos elementos de sellado flexibles (polímero o metal: tira, junta tórica hueca, junta C, junta E, junta cuádruple, junta X, etc.,) para ayudar en el rendimiento del sellado. Todos estos elementos flexibles funcionan en conjunto con el sello primario, que experimenta la mayor parte de la presión y la temperatura. El elemento flexible forma un sello secundario que es energizado por sus propias propiedades elásticas, mientras que durante el funcionamiento será energizado por los fluidos que escapan por el sello primario.

Las Figuras 13 a) - c) y las Figuras 14 a) -l) muestran posibles ejemplos de cómo se podrían utilizar tales elementos flexibles: (1301, 1401) - rotor; (1302, 1402) - camisa; (1303, 1403) - elementos de sellado primarios; (1304, 1404) -sello secundario flexible; (1305, 1405) un resorte de precarga, (1406) un anillo de metal de contenedor y (1407) un alambre de tungsteno, que es activado por la presión del gas y calza entre el sello primario y el rotor. Este último concepto también funcionará bien con un sello de placa descrito en la Fig. 10.

Como antes, a excepción de los sellos que utilizan alambre de tungsteno, las superficies de sellado de todos estos sellos, es decir, las superficies en contacto con las cubiertas laterales (placas) deben fabricarse de tal manera que el área de la superficie en contacto con la cubierta, debe ser menor que la suma de las proyecciones de las áreas expuestas a gases presurizados sobre esta superficie. Estas superficies de contacto no se muestran en la Fig. 14 para mayor claridad de otras características.

La Fig. 13A ilustra una realización de un sello mejorado para un motor de categoría (1) o para (2) un compresor rotatorio o para (3) una bomba rotatoria. En esta realización, se proporciona un motor rotatorio mejorado (o compresor o bomba) del tipo que tiene un rotor epitrocoidal que rota alrededor de un eje, una carcasa y unas cubiertas primera y segunda dispuestas lateralmente. La mejora incluye un primer sello frontal dispuesto en una primera esquina con forma epitrocoidal formada por una unión de la primera cubierta con la carcasa, teniendo el primer sello frontal una sección transversal generalmente en forma de U, en un plano que pasa por el eje, de modo que el primer sello frontal tiene una pata exterior que es distal con respecto al eje y una pata interior que es proximal con respecto al eje, las dos patas unidas por un puente en forma de U, en donde la pata exterior se dispone en una correspondiente hendidura exterior del rotor y la pata interior se dispone en una hendidura interior correspondiente del rotor. Opcionalmente, esta realización tiene una función antirrotación, que evita la rotación del sello en relación con el rotor, similar a la que se muestra en la Fig. 15, empleando almohadillas generalmente redondas unidas al sello y que sobresalen radialmente hacia dentro hacia el eje adentro de un correspondiente rebaje en el rotor.

En otra realización relacionada, la mejora incluye un segundo sello frontal dispuesto en una segunda esquina con forma epitrocoidal formada por una unión de la segunda cubierta con la carcasa, teniendo el segundo sello frontal una sección transversal generalmente en forma de U, en un plano que pasa por el eje, de manera que el segundo sello frontal tiene una pata exterior distal con respecto al eje y una pata interior proximal con respecto al eje, unidas las dos patas por un puente en forma de U, en donde la parte exterior la pata se dispone en una hendidura exterior correspondiente del rotor y la pata interior se dispone en una hendidura interior correspondiente del rotor.

Opcionalmente, el puente en forma de U del primer sello frontal incluye un canal, dispuesto en una superficie del mismo que está en contacto con la primera cubierta, reteniendo el canal un componente en el mismo, componente seleccionado del grupo que consiste en agua, lubricante, y una combinación de agua y lubricante.

En el caso de que se utilice alambre de tungsteno como sello secundario, las superficies de sellado de los sellos laterales, es decir, las superficies en contacto con las cubiertas laterales (placas) deben fabricarse de tal manera que el área de la superficie en contacto con la cubierta, debe ser menor que la suma de las proyecciones de las áreas expuestas a gases presurizados más la proyección del alambre de tungsteno sobre esta superficie.

Combustión

Para aumentar aún más la eficiencia del motor, es necesario mejorar un proceso de combustión. La figura 15 muestra la cámara de combustión de alta velocidad (1501). La cámara de combustión es un rebaje dentro de la carcasa (1502) y tiene una forma asimétrica. Por ejemplo, la forma del rebaje 1501 puede describirse como asimétrica con respecto a una línea que pasa a través del rebaje 1501 y un punto central de la carcasa 1502.

El perfil interno de carcasa (1503) se encuentra con la cámara de combustión en dos áreas: el borde de ataque (1504) y el borde de salida (1505). Cuando el rotor se acerca al PMS, el borde de ataque afilado (1504) genera un vórtice de aire en sentido contrario a las agujas del reloj dentro de la cámara de combustión (1501) que es mantenido y guiado por el borde de salida. El vórtice de aire aumenta el movimiento de la carga y mejora la mezcla de combustible y aire, mientras acelera el proceso de combustión, ambos parámetros clave para la eficiencia y el rendimiento del motor. El vórtice de aire alcanza una velocidad de aire tangencial con un pico de 45 m/s, mientras funciona a la velocidad normal del motor del automóvil. La Figura 16 presenta una característica adicional de la cámara de combustión de alta velocidad: acomodar la estela de inyección (1506). Cuando el motor está funcionando con inyección directa de combustible, la forma alargada de la cámara de combustión puede acomodar la estela de combustible completa, eliminando así el impacto de la pared de combustible, una causa conocida de mala combustión y mayores emisiones tóxicas.

Las Figs. 15 y 16 ilustran esquemáticamente un motor rotatorio del tipo que tiene un rotor 1509 que tiene N lóbulos, una lumbrera de admisión para la admisión de un medio de trabajo, una lumbrera de escape y una carcasa con respecto a la que se monta el rotor para el movimiento rotacional con respecto al carcasa, teniendo la carcasa N+1 regiones receptoras de lóbulos y (i) un pico dispuesto entre cada par de N+1 regiones receptoras de lóbulos adyacentes y (ii) un par de lados, las N+1 regiones receptoras de lóbulos configuradas además en relación con el rotor para recibir sucesivamente los N lóbulos a medida que el rotor rota con respecto a la carcasa, para establecer cámaras, una cámara asociada con cada una de las N+1 regiones receptoras de lóbulos, en donde al menos una cámara de las cámaras establecidas se configurada para manejar, en sucesión, admisión, compresión del medio de trabajo e inyección de combustible, combustión, expansión y fases de escape. El motor incluye un rebaje 1501 en la carcasa asociada con cada cámara en donde se produce la combustión, el rebaje tiene una forma asimétrica para crear un vórtice en el medio de trabajo durante la compresión y la inyección de combustible. En algunas realizaciones, el rebaje 1501 tiene una forma alargada similar a una gota, que se ve más fácilmente en la Fig. 16, que tiene un extremo estrecho (por ejemplo, donde el inyector de combustible 1510 inyecta una estela 1506 de combustible) y un extremo más ancho distal desde el extremo estrecho. Esa forma se adapta a una forma y volumen asociados con una estela 1506 del combustible inyectado en ella (por ejemplo, como se indicó anteriormente, la forma alargada de la cámara de combustión/rebaje 1501 puede acomodar la estela de combustible, eliminando así el impacto de la pared de combustible, una causa conocida de mala combustión y mayores emisiones tóxicas).

Inyección de combustible mejorada

Para mejorar aún más la eficiencia de la combustión, es fundamental proporcionar una buena mezcla de combustible y aire de combustión. La generación de un vórtice de alta velocidad descrito anteriormente podría complementarse con un inyector, cuya longitud de penetración es pequeña y que genera gotas de un tamaño muy pequeño, en un intervalo de 5 a 10 micrómetros. Típicamente, esto se logra con inyectores asistidos por aire (Orbital y otros; véase también la patente de EE. UU. n.° 5.520.331, que describía una boquilla atomizadora de líquido asistida por aire utilizada para minimizar el consumo de agua en aplicaciones de extinción de incendios); esto requiere un pequeño compresor separado para proporcionar aire presurizado. En esta invención presentamos un enfoque que es similar al descrito en el documento US #5,520,331, pero que no requiere un compresor de aire.

Fabricación de rotores

Para aumentar aún más la eficiencia y la potencia de los motores X, es beneficioso aumentar la temperatura de funcionamiento del motor y reducir la fricción (y el desgaste). Un rotor hecho completamente de cerámica ofrece una gran promesa de lograr estos objetivos, pero es extremadamente costoso de fabricar. Una solución mejor y menos costosa podría ser proporcionada por un rotor fabricado especialmente que use deposición de polvo en gradiente, procesos metalúrgicos de polvos metálicos, descritos, por ejemplo, en los documento [Dry Powder Deposition and Compaction for Functionally Graded Ceramics] Zachary N. Wing and John W. Halloran, Department of Materials Science Engineering, University of Michigan, Ann Arbor, Michigan 48109]. El costado del rotor puede fabricarse utilizando una mezcla de cerámica y/o metal y/o polvos de grafito, mientras que la parte central del rotor está hecha de aluminio o titanio o cualquier otro polvo de metal ligero. El método para fabricar un rotor de este tipo se muestra en la Fig. 17. El rotor se fabrica dentro del molde (1701, Fig. 17 a), compuesto de base (1702), insertos (1703) , guías delgadas retirables (separadores) (1704) y cubierta (1705), todos mostrados en la Fig. 17 f). Se depositan polvos “en forma de gradiente” (es decir, no uniformemente en el espacio 3D) en los espacios entre la base, la cubierta y los insertos, Fig. 17 b). La deposición en gradiente podría lograrse en direcciones radiales y/o axiales y podría hacerse asimétrica, no solo en términos de geometría, sino también en términos de composición del polvo. Los gradientes se crean mediante un sistema dosificador de polvo robótico medido o manualmente con la ayuda de guías delgadas retirables (1704). Luego se retiran las guías, dejando una mezcla de materiales degradados (1706) entre la base y el inserto (Fig. 17 d)); luego se coloca la cubierta del molde sobre la base (Fig. 17 e)) y el molde se somete a compactación y sinterización bajo grandes presiones y, opcionalmente, temperaturas. El molde también se puede hacer vibrar para mejorar la dispersión de las capas de polvo entre sí.

Números de referencia

Las realizaciones de la invención descritas anteriormente pretenden ser meramente ejemplares; numerosas variaciones y modificaciones serán evidentes para los expertos en la técnica. Se pretende que todas estas variaciones y modificaciones estén dentro del alcance de la presente invención tal como se define en cualquiera de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (11)

REIVINDICACIONES

1. Una máquina rotatoria que comprende:

una carcasa;

un rotor (720) que tiene una superficie axial; y

un conjunto de sello para sellar una holgura entre la superficie axial del rotor y un lado de la carcasa (740), el conjunto de sello comprende: un sello frontal que tiene:

un miembro exterior (711) que tiene (i) una superficie de contacto axial (715), cargada axialmente contra el lado de la carcasa (740), (ii) al menos otra superficie receptora de presión de fluido (714, 718), y (iii) una superficie de contacto radial interior (719) que se carga radialmente contra el rotor por la presión del fluido; y un miembro de puente (713) acoplado al miembro exterior, que abarca una distancia radial hacia dentro desde el miembro exterior, en donde el miembro de puente se configura para limitar el movimiento del sello frontal radialmente hacia el exterior,

en donde la superficie de contacto axial (715) y al menos otra superficie receptora de presión de fluido (714, 718) tienen una forma tal que la presión de fluido provoca una fuerza neta por la que la superficie de contacto axial (715) es obligada axialmente contra el lado de la carcasa (740) y la superficie de contacto radial interior (719) del miembro exterior (711) es obligada radialmente contra el rotor (720).

2. Una máquina rotatoria según la reivindicación 1, en donde el sello frontal comprende además un resorte cargado axialmente (750) dispuesto entre el miembro del puente y una característica del rotor (724), para provocar una carga axial de la superficie de contacto axial contra el lado de la carcasa.

3. Una máquina rotatoria según la reivindicación 2, que comprende además un sello secundario (760), dispuesto entre el resorte cargado axialmente y el miembro de puente, de modo que el sello secundario sea cargado axialmente por el resorte y radialmente contra el rotor por la presión de cualquier fluido que ha volado por la superficie de contacto radial interior.

4. Una máquina rotatoria según la reivindicación 1, que comprende además un sello secundario flexible (1304), dispuesto radialmente entre el rotor y el sello frontal.

5. Una máquina rotatoria según la reivindicación 1, en donde el conjunto de sello incluye además un conjunto de resortes (903), acoplados al sello frontal y al rotor y configurados para tirar del miembro exterior radialmente hacia el eje de rotor.

6. Una máquina rotatoria según la reivindicación 1, en donde el sello frontal incluye además

miembro de placa (1009) conectado al miembro exterior y dispuesto a lo largo de la superficie axial en una dirección radialmente hacia dentro desde el miembro exterior; y

una ranura antirrotación (1010) dispuesta dentro del miembro de placa para recibir una loma saliente axialmente correspondiente (1003) del rotor para evitar la rotación del sello frontal con respecto al rotor.

7. Una máquina rotatoria según la reivindicación 6, en donde el miembro de placa incluye un conjunto de aberturas (1020) para permitir el paso del aire de refrigeración a través del rotor.

8. Una máquina rotatoria según la reivindicación 1, en donde el rotor (1201) tiene una cara radial, comprendiendo además la máquina rotatoria:

una camisa (1202) dispuesta circunferencialmente sobre la cara radial;

en donde la camisa tiene una lengüeta (1203) que sobresale radialmente hacia dentro y el rotor tiene un correspondiente surco radialmente hendido para recibir la lengüeta.

9. Una máquina rotatoria según la reivindicación 8, que comprende además:

un conjunto de sello lateral, dispuesto en la cara radial del rotor, el conjunto de sello lateral tiene un sello primario (1403) y un sello secundario comprimible (1404), estando el sello secundario en contacto con el sello primario y dispuesto en un surco del rotor.

10. Una máquina rotatoria según la reivindicación 8 que tiene un recorte de esquina periférico para el sello lateral de forma correspondiente.

11. Una máquina rotatoria según la reivindicación 8, en donde el rotor rota con respecto a la carcasa para establecer una cámara de trabajo, la máquina rotatoria tiene además una lumbrera de admisión para permitir que el medio nuevo entre en la cámara de trabajo y una lumbrera de escape para permitir que los gases quemados salgan de la cámara de trabajo.