RU2146013C1

RU2146013C1 - Rotary engine working chambers sealing method

Info

Publication number: RU2146013C1
Application number: RU94045350A
Authority: RU
Inventors: П.С. Владимиров
Original assignee: Владимиров Порфирий Сергеевич
Priority date: 1994-12-27
Filing date: 1994-12-27
Publication date: 2000-02-27
Also published as: RU94045350A

Abstract

FIELD: power engineering; rotary engines. SUBSTANCE: proposed method of sealing of rotary engine working chambers by way of minimization of clearances in noncontact sealings comes to the following: coating with wear resistance and hardness lower than wear resistance and hardness of housing and rotors is applied to working surfaces of engine, at least on working surface of housing. Thickness of coating is increased and coating is lapped by mating members during operation of engine. Coating is applied at nominal power output of engine by delivering substance whose melting temperature or sublimation temperature is lower than maximum temperature of working cycle and height than working temperature of housing and rotors. This substance is fed into working duct. EFFECT: enhanced efficiency of noncontact seals of rotary engine by decreasing leakage of working medium. 6 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к области энергетики, преимущественно к роторным двигателям. The invention relates to the field of energy, mainly to rotary engines.

Известен способ бесконтактного уплотнения рабочих камер машины (SU, авторское свидетельство 347453 А, кл. F 16 J 15/14, 30.08.72) заключающийся в том, что на внутреннюю поверхность рабочей полости машины прикрепляют накладку из вспененного материала с закрытыми ячейками и обрабатывают ее под размер, обеспечивающий минимальный зазор между накладками и ротором. Из патентной литературы (RU, патент 2013589 C1, кл. F 02 В 53/00, 30.05.94) известен способ уплотнения рабочих камер роторного двигателя, содержащего корпус с рабочей полостью, образованной двумя пересекающимися цилиндрическими расточками, в которой установлены ведущий и ведомый роторы. На поверхности полости корпуса и части ведущего ротора в области камеры расширения, а также на передней по ходу вращения части внешней цилиндрической поверхности ведомого ротора выполняют лабиринтные уплотнения. A known method of non-contact sealing of the working chambers of the machine (SU, copyright certificate 347453 A, class F 16 J 15/14, 30.08.72), namely, that on the inner surface of the working cavity of the machine is attached a pad of foam material with closed cells and process it under the size providing the minimum clearance between overlays and a rotor. From the patent literature (RU, patent 2013589 C1, class F 02 B 53/00, 05/30/94), a method is known for sealing the working chambers of a rotary engine, comprising a housing with a working cavity formed by two intersecting cylindrical bores in which the driving and driven rotors are installed . On the surface of the body cavity and part of the driving rotor in the area of the expansion chamber, as well as on the front along the rotation part of the outer cylindrical surface of the driven rotor, labyrinth seals are performed.

Данный способ уплотнения рабочих камер роторного двигателя принят в качестве ближайшего аналога для изобретения. This method of sealing the working chambers of a rotary engine is adopted as the closest analogue for the invention.

Известные способы уплотнения рабочих камер роторного двигателя не обеспечивают необходимой минимизации зазоров, поскольку поверхности корпуса и роторов могут изменяться под действием ряда факторов (неравномерность нагрева роторов и корпуса, их деформация под воздействием сил давления газа, изгибающих и крутящих моментов и др.). Known methods of sealing the working chambers of a rotary engine do not provide the necessary minimization of the gaps, since the surface of the housing and rotors can change under the influence of a number of factors (uneven heating of the rotors and the housing, their deformation under the influence of gas pressure, bending and torque, etc.).

Предложенные способы позволяют обойти известные трудности. The proposed methods circumvent known difficulties.

Задачей изобретения является - повышение эффективности бесконтактных уплотнений роторного двигателя путем снижения утечек рабочего тела. The objective of the invention is to increase the efficiency of non-contact seals of a rotary engine by reducing leakage of the working fluid.

Технический результат достигается тем, что заявленный способ уплотнения рабочих камер роторного двигателя путем минимизации зазоров в бесконтактных уплотнениях заключается в том, что на рабочие поверхности роторного двигателя, по меньшей мере на рабочую поверхность корпуса, наносят покрытие с износостойкостью ниже, чем износостойкость роторов, наращивают его толщину и притирают покрытие сопряженными элементами при работе двигателя. The technical result is achieved by the fact that the claimed method of sealing the working chambers of a rotary engine by minimizing gaps in non-contact seals is that on the working surfaces of the rotary engine, at least on the working surface of the housing, a coating with a wear resistance lower than the wear resistance of the rotors is applied, it is increased thickness and rub the coating with conjugate elements when the engine is running.

Покрытие наносят при работе двигателя на режиме номинальной мощности путем ввода в рабочий тракт вещества, температура плавления или возгонки которого ниже максимальной температуры рабочего цикла и выше рабочей температуры корпуса и роторов. Конденсация вещества обеспечивает осаждение на стенках рабочих камер мягкого истираемого покрытия, минимальные зазоры и утечки рабочей среды в бесконтактных уплотнениях. При этом вещество распыляют во впускных патрубках или вводят в виде присадок в топливо. В качестве вещества используют нагаролакообразующие ингредиенты топлива. Покрытие может быть выполнено вспенивающимся от нагрева материалом, например минералом вермикулит, который обрабатывается кромками роторов при работе двигателя с минимизацией зазоров и утечек с образованием термобарьерного покрытия. The coating is applied when the engine is operating at nominal power by introducing into the working path a substance whose melting or sublimation temperature is lower than the maximum temperature of the working cycle and higher than the working temperature of the housing and rotors. Condensation of the substance provides deposition on the walls of the working chambers of a soft abrasive coating, minimal gaps and leaks of the working medium in non-contact seals. In this case, the substance is sprayed in the inlet pipes or introduced into the fuel as additives. As a substance, nagarol-forming fuel ingredients are used. The coating can be made with a foamable material from heating, for example, vermiculite mineral, which is processed by the edges of the rotors during engine operation to minimize gaps and leaks with the formation of a thermal barrier coating.

На фиг.1 изображен роторный двигатель в поперечном разрезе; на фиг. 2 - разрез по А-А; на фиг. 3 - вид В; на фиг. 4 - разрез по С-С; на фиг. 5 - осевой разрез двигателя; на фиг.6 - в увеличенном масштабе вид Е; на фиг.7 - сечение М-М. Figure 1 shows a rotary engine in cross section; in FIG. 2 - section along aa; in FIG. 3 - view B; in FIG. 4 - a section along CC; in FIG. 5 - axial section of the engine; figure 6 is an enlarged view of E; Fig.7 is a cross-section MM.

Двигатель содержит корпус 1 с рабочей полостью, образованной двумя пересекающимися цилиндрическими расточками, в котором на подшипниках 2 установлены ведущий ротор 3 с валом 4 и ведомый ротор 5, имеющий впадину 6, сопряженную с выступом ведущего ротора. На валах роторов установлены синхронизирующие шестерни 7, кинематически связанные между собой через паразитную шестерню и обеспечивающие таким образом однонаправленное вращение роторов с равной угловой скоростью. Внутри ведомого ротора выполнена камера сгорания, образованная впускными каналами 8,9 и выпускным каналом 10, которые соединены между собой в центральной части ротора и с окнами 11, 12, 13 на внешней цилиндрической поверхности ротора. Окна с некоторыми интервалами (расстояниями) разнесены по длине ведомого ротора, т.е. расстояние L между впускными окнами 11, 12 больше длины b выпускного окна; предпочтительна форма окон в виде овалов с усеченной стороной, параллельной уплотняющим кромкам 14 ротора. Впускные каналы 8,9 выполнены криволинейными, обращенными вогнутыми сторонами друг к другу; с выпускным каналом 10 они соединены тангенциально и обеспечивают завихрение воздушного заряда. The engine comprises a housing 1 with a working cavity formed by two intersecting cylindrical bores, in which a driving rotor 3 with a shaft 4 and a driven rotor 5 having a cavity 6 connected to the protrusion of the driving rotor are mounted on the bearings 2. On the shafts of the rotors installed synchronizing gears 7, kinematically connected to each other through a parasitic gear and thus providing unidirectional rotation of the rotors with equal angular velocity. Inside the driven rotor, a combustion chamber is formed, formed by inlet channels 8.9 and exhaust channel 10, which are interconnected in the central part of the rotor and with windows 11, 12, 13 on the outer cylindrical surface of the rotor. Windows with some intervals (distances) are spaced along the length of the driven rotor, i.e. the distance L between the inlet windows 11, 12 is greater than the length b of the outlet window; the shape of the windows is oval with a truncated side parallel to the sealing edges 14 of the rotor. The inlet channels 8.9 are made curved, facing concave sides to each other; they are connected tangentially with the outlet channel 10 and provide turbulence of the air charge.

На кромках рабочей полости корпуса, образованных пересечением цилиндрических расточек, напротив окон выполнены фаски 15, 16, 17, вогнутой в поперечном сечении формы, в продольном сечении фаски 15, 16 (напротив впускных окон) имеют переменную, увеличивающуюся в направлении к окнам глубину и тоже вогнутую форму. Длина фаски 17 меньше длины фаски 15, 16, она близка к длине b выпускного окна. На кромке рабочей полости в камере сжатия между фасками 15, 16 могут быть выполнены дополнительные фаски 18 с обратными клапанами 19, обеспечивающие отбор сжатого воздуха для вспомогательных целей, например для питания пневмосети, и дополнительный дренаж защемленного в фасках объема. On the edges of the working cavity of the case, formed by the intersection of cylindrical bores, opposite the windows there are chamfers 15, 16, 17, concave in the cross section of the shape, in the longitudinal section of the chamfer 15, 16 (opposite the inlet windows) have a variable that increases in depth towards the windows and also concave shape. The length of the chamfer 17 is less than the length of the chamfer 15, 16, it is close to the length b of the outlet window. At the edge of the working cavity in the compression chamber between the chamfers 15, 16, additional chamfers 18 with check valves 19 can be made, providing compressed air for auxiliary purposes, for example, for supplying a pneumatic network, and additional drainage of the volume trapped in the chamfers.

В корпусе напротив окон 11, 12 при их положении в фазе расширения заряда выполнены окна 20, 21 с направляющими сопловыми лопатками 22, причем лопатки в окне 20 изогнуты в противоположном направлении относительно лопаток в окне 21. На выходе каналов 20, 21 установлена импульсная газовая турбина 23, вал которой кинематически связан или с силовым валом 4, или с турбокомпрессором, генератором, маслонасосом и др. вспомогательными агрегатами. Выход газа из турбины соединен или с внешней средой, или газопроводом 24 с коллектором 25. В корпусе выполнены впускные окна 26 с патрубками 27 и выпускные окна 28, соединенные с коллектором 25. На валу двигателя установлен маховик 29 с ободом на периферии, который скреплен или выполнен за одно целое с лопаточными венцами 30, 31 газовой парциальной турбины. Между венцами расположены направляющие лопатки 32, закрепленные на корпусе. Вход этой турбины соединен с коллектором 25, выход - с турбокомпрессором 33, обеспечивающим продувку рабочего тракта двигателя сжатым воздухом через патрубки 27. In the case opposite the windows 11, 12, when they are in the charge expansion phase, windows 20, 21 are made with guide nozzle blades 22, and the blades in the window 20 are bent in the opposite direction relative to the blades in the window 21. A pulse gas turbine is installed at the outlet of the channels 20, 21 23, the shaft of which is kinematically connected with either the power shaft 4, or with a turbocompressor, generator, oil pump, and other auxiliary units. The gas outlet from the turbine is connected either to the external environment or to the gas pipeline 24 with the collector 25. In the housing there are inlet windows 26 with nozzles 27 and exhaust windows 28 connected to the manifold 25. A flywheel 29 with a rim on the periphery that is fastened to is mounted on the motor shaft made in one piece with the blade crowns 30, 31 of the gas partial turbine. Between the crowns are guide vanes 32 mounted on the housing. The inlet of this turbine is connected to the collector 25, the outlet to the turbocompressor 33, which provides purging of the engine working path with compressed air through the nozzles 27.

В камере сгорания установлена топливная форсунка 34, соединенная трубопроводом 35 с топливным насосом. Оппозитно к форсунке 34 в камере может быть установлено дополнительное средство воспламенения, например, свеча зажигания электроискрового или калильного типа, облегчающая запуск двигателя с циклом дизеля. Электропитание свечи возможно, например, через скользящий контакт на торце вала ведомого ротора, который может одновременно служить прерывателем. Возможен бензиновый вариант двигателя с впрыском легкого топлива в патрубки 27 или через карбюратор. A fuel nozzle 34 is installed in the combustion chamber, connected by a pipe 35 to the fuel pump. Opposite to the nozzle 34 in the chamber can be installed additional means of ignition, for example, a spark plug of an electric spark or glow type, which facilitates starting the engine with a diesel cycle. The power supply of the candle is possible, for example, through a sliding contact at the end of the shaft of the driven rotor, which can simultaneously serve as a breaker. A gasoline version of the engine with the injection of light fuel into the nozzles 27 or through a carburetor is possible.

На теплонапряженных поверхностях рабочей полости корпуса целесообразна установка накладок 40 из термостойкого материала со структурой лабиринтных уплотнений на поверхности. Накладка может быть выполнена, например, из тонкого (~0,3...0,5 мм) листа жаропрочной стали, гофрированного в окружном направлении с зигзагообразным расположением гофр в осевом направлении (см. фиг. 6,7), скрепленного с корпусом. On heat-stressed surfaces of the working cavity of the housing, it is advisable to install linings 40 made of heat-resistant material with the structure of labyrinth seals on the surface. The overlay can be made, for example, from a thin (~ 0.3 ... 0.5 mm) sheet of heat-resistant steel, corrugated in the circumferential direction with a zigzag arrangement of the corrugations in the axial direction (see Fig. 6.7), fastened to the body .

При синхронном вращении роторов в направлении, указанном стрелками, происходит сжатие воздушного заряда в камере сжатия 36, перепуск его в камеру сгорания 10, впрыск топлива через форсунку 34, воспламенение его от температуры сжатия или от дополнительного средства воспламенения, сгорание, выпуск продуктов сгорания через окно 13 и фаску 17 в камеру расширения 37, расширение газов, выпуск через окно 28 в коллектор 25, дополнительное расширение в турбинах 30, 31, 33, продувка рабочей камеры сжатым в турбокомпрессоре воздухом. В завершающей фазе процесса расширения окно 13 переходит из камеры расширения в камеру 36, камера сгорания соединяется с камерой сжатия. Непосредственно перед этим моментом впускные окна 11, 12, соединяются с окнами 20, 21 в корпусе, сжатый газ из камеры сгорания выпускается в импульсную турбину 23 и совершает полезную работу, устраняется подача продуктов сгорания в камеру сжатия. Близким к оптимальному представляется двигатель, в котором турбина 23 соединена с компрессором наддува, а турбина 33 кинематически связана, например, через понижающий редуктор фрикционного типа, с выходным валом двигателя. Накладки 40 обеспечивают снижение тепловых потерь и утечек газа в бесконтактных уплотнениях, причем зигзагообразные гофры компенсируют тепловые деформации накладки в окружном и осевом направлениях. Технико-экономическая эффективность предложенного двигателя весьма высока, в нем реализуются многие прогрессивные направления повышения мощности и экономичности: высокая быстроходность благодаря бесконтактным уплотнениям и относительно длительному периоду сгорания топлива в камере постоянного объема, низкие нагрузки на подшипники роторов, высокий механический КПД, высокая степень сжатия, продолженное расширение в камере 37 и в газотурбинных трактах адиабатный режим работы, большие проходные сечения каналов газообмена, простая, компактная, легкая и надежная конструкция. When the rotors rotate synchronously in the direction indicated by the arrows, the air charge is compressed in the compression chamber 36, transferred to the combustion chamber 10, fuel is injected through the nozzle 34, ignited from the compression temperature or from an additional means of ignition, combustion, exhaust products through the window 13 and chamfer 17 into the expansion chamber 37, gas expansion, exhaust through the window 28 into the manifold 25, additional expansion in the turbines 30, 31, 33, purging the working chamber with compressed air in the turbocompressor. In the final phase of the expansion process, the window 13 passes from the expansion chamber to the chamber 36, the combustion chamber is connected to the compression chamber. Just before this point, the inlet windows 11, 12 are connected to the windows 20, 21 in the housing, the compressed gas from the combustion chamber is discharged into a pulse turbine 23 and performs useful work, the supply of combustion products to the compression chamber is eliminated. The engine in which the turbine 23 is connected to a boost compressor and the turbine 33 is kinematically connected, for example, through a friction-type reduction gear, to the output shaft of the engine is close to optimal. Pads 40 reduce heat loss and gas leaks in non-contact seals, with zigzag corrugations compensate for thermal deformation of the pads in circumferential and axial directions. The technical and economic efficiency of the proposed engine is very high, it implements many progressive ways to increase power and economy: high speed due to non-contact seals and a relatively long period of fuel combustion in a constant-volume chamber, low loads on rotor bearings, high mechanical efficiency, high compression ratio, continued expansion in chamber 37 and in gas-turbine tracts adiabatic mode of operation, large passage sections of gas exchange channels, simple, com compact, lightweight and reliable design.

Ключевой проблемой предложенного двигателя является эффективность бесконтактных уплотнений, поэтому ниже рассмотрен способ бесконтактного уплотнения рабочих камер теплового двигателя. The key problem of the proposed engine is the effectiveness of non-contact seals, therefore, the method of non-contact sealing of the working chambers of a heat engine is discussed below.

Способ уплотнения рабочих камер роторного двигателя путем минимизации зазоров в бесконтактных уплотнениях заключается в том, что на рабочие поверхности двигателя, по меньшей мере на рабочую поверхность корпуса, наносят покрытие с износостойкостью и твердостью ниже, чем износостойкость и твердость корпуса и роторов. Существуют ряд веществ, которые могут быть рассмотрены в этом аспекте, например минералы барит BaS0₄, галенит PbS, галлит NaCI, миллерит NiS, пирофиллит, тальк, гипс и др. Толщину покрытия наращивают и притирают покрытие сопряженными элементами при работе двигателя. Покрытие может быть нанесено при работе двигателя на режиме номинальной мощности путем ввода в рабочий тракт вещества, температура плавления которого ниже максимальной температуры в камере сгорания, т.е. максимальной температуры рабочего цикла и выше установившейся максимальной температуры роторов и корпуса, т. е. рабочей температуры корпуса и роторов. Вещество в виде порошка засыпается, например, в емкость 38, с нижним отверстием, соединенным с форсункой 39, подключенной к источнику сжатого воздуха, порошок распыляется во впускной патрубок, расплавляется или возгоняется в камере сгорания, в процессе расширения вещество проникает в щели бесконтактных уплотнений, конденсируется (затвердевает) на их стенках и притирается вращением роторов, обеспечивая минимальные зазоры в уплотнениях.The method of sealing the working chambers of a rotary engine by minimizing gaps in non-contact seals is that a coating with wear resistance and hardness lower than the wear and hardness of the housing and rotors is applied to the working surfaces of the engine, at least to the working surface of the housing. There are a number of substances that can be considered in this aspect, for example, BaS0 ₄ barite minerals, PbS galenite, NaCI gallite, NiS millerite, pyrophyllite, talc, gypsum, etc. The coating thickness is increased and rubbed by the conjugated elements during engine operation. The coating can be applied during engine operation at rated power by introducing into the working path a substance whose melting temperature is lower than the maximum temperature in the combustion chamber, i.e. the maximum temperature of the working cycle and above the steady-state maximum temperature of the rotors and the housing, i.e., the operating temperature of the housing and rotors. A substance in the form of a powder is poured, for example, into a container 38, with a bottom opening connected to a nozzle 39 connected to a source of compressed air, the powder is sprayed into the inlet pipe, melted or sublimated in the combustion chamber, during expansion, the substance penetrates into the slots of non-contact seals, condenses (hardens) on their walls and is rubbed by the rotation of the rotors, providing minimal clearance in the seals.

Вещество может быть введено в виде присадок в топливо. Возможна версия способа с использованием естественных, присущих стандартному топливу ингредиентов, создающих нагар и лаковые отложения на рабочих органах двигателя при определенном топливном режиме последних (температура меньше 500^oC); в этом случае известный недостаток обращается в новый полезный эффект.The substance may be added as a fuel additive. A version of the method is possible using natural ingredients inherent in standard fuel that create carbon deposits and varnish deposits on the working parts of the engine with a certain fuel mode of the latter (temperature less than 500 ^o C); in this case, a known shortcoming turns into a new useful effect.

Покрытие может быть выполнено из особого материала, способного вспениваться под действием высокой температуры, например минерала вермикулит. The coating can be made of a special material capable of foaming under the action of high temperature, for example, the vermiculite mineral.

Накладками из этого минерала выполняется футеровка корпуса, затем при нагреве во время работы двигателя вермикулит вспучивается, увеличиваясь в объеме, и срезается (истирается) по месту твердыми кромками роторов; при этом автоматически реализуются минимальный зазор и оптимальная форма корпуса, отображающая все многообразие тепловых и механических деформаций рабочих органов тепловой машины. Вспененный материал представляет собой хорошее термобарьерное покрытие, а его ячейки образуют структуру лабиринтных уплотнений. The lining of this mineral is used to lining the body, then when heated during operation of the engine, vermiculite swells, increasing in volume, and is cut off (abraded) in place by the hard edges of the rotors; at the same time, the minimum clearance and the optimal body shape are automatically realized, reflecting the whole variety of thermal and mechanical deformations of the working parts of the heat engine. Foamed material is a good thermal barrier coating, and its cells form the structure of labyrinth seals.

Двигатель характеризуется весьма высокой удельной мощностью: при габаритах 400х400х300 мм, степени повышения давления в турбокомпрессоре Пк~4, окружной скорости ведущего ротора И=150 м/с. (n = 1200 об/мин), коэффициенте избытка воздуха 1,4 мощность близка к 300 кВт. The engine is characterized by a very high specific power: with dimensions of 400x400x400 mm, the degree of pressure increase in the turbocharger Pk ~ 4, the peripheral speed of the driving rotor I = 150 m / s. (n = 1200 rpm), an excess air coefficient of 1.4 power is close to 300 kW.

Claims

1. The method of sealing the working chambers of a rotary engine by minimizing gaps in non-contact seals, characterized in that the working surfaces of at least the housing are coated with wear resistance lower than the wear resistance of the rotors, increase its thickness and rub the coating with mating elements when the engine is running.

2. The method according to claim 1, characterized in that the coating is applied when the engine is operating at rated power by introducing into the working path a substance whose melting or sublimation temperature is lower than the maximum temperature of the working cycle and higher than the working temperature of the housing and rotors.

3. The method according to PP. 1 and 2, characterized in that the substance is sprayed in the inlet pipes.

4. The method according to PP. 1 and 2, characterized in that the substance is introduced in the form of additives in the fuel.

5. The method according to PP.1 and 2, characterized in that the substance using nagarol-forming fuel ingredients.

6. The method according to claim 1, characterized in that the coating is performed by a material expanding from heating, for example, vermiculite mineral.