RU2808333C1 - Method for converting energy of pressurized working fluid into energy of medium flow and roller-blade motor for its implementation - Google Patents
Method for converting energy of pressurized working fluid into energy of medium flow and roller-blade motor for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2808333C1 RU2808333C1 RU2023101207A RU2023101207A RU2808333C1 RU 2808333 C1 RU2808333 C1 RU 2808333C1 RU 2023101207 A RU2023101207 A RU 2023101207A RU 2023101207 A RU2023101207 A RU 2023101207A RU 2808333 C1 RU2808333 C1 RU 2808333C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rotor
- blade
- housing
- type
- roller
- Prior art date
Links
- 239000012530 fluid Substances 0.000 title claims abstract description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 title description 3
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 abstract description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 3
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- -1 for example Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 2
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 2
- 239000004952 Polyamide Substances 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052755 nonmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002843 nonmetals Chemical class 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 229920002647 polyamide Polymers 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к объемным машинам и может быть использовано в качестве пневмоприводов различных мобильных и стационарных машин, в частности, для приводов воздушных винтов летательных аппаратов.The invention relates to volumetric machines and can be used as pneumatic drives for various mobile and stationary machines, in particular, for driving aircraft propellers.
Известен аналог устройства – ролико-лопастная машина – RU2230194, 08.11.2001, содержащая ротор с лопастями, установленный в корпусе, в котором выполнены каналы для подвода и отвода сжатого газа, в расточках которого размещен ролик-разделитель с пазом для обеспечения свободного прохождения лопастей ротора, в котором ротор и ролик-разделитель соединены друг с другом посредством синхронизирующих шестерен.An analogue of the device is known - a roller-blade machine - RU2230194, 08.11.2001, containing a rotor with blades installed in a housing in which there are channels for supplying and discharging compressed gas, in the bores of which there is a separator roller with a groove to ensure free passage of the rotor blades , in which the rotor and separator roller are connected to each other via synchronizing gears.
Недостатком аналога является ограничение передаваемой потребителю мощности – прочностью вала, передающего крутящий момент ротора. The disadvantage of the analogue is that the power transmitted to the consumer is limited by the strength of the shaft that transmits the rotor torque.
Известен близкий аналог устройства – ролико-лопастной двигатель – RU2491432, 15.09.2011, принятый в качестве прототипа устройства, содержащий корпус с впускными и выпускными отверстиями, ротор, размещенный в корпусе с возможностью вращения, ротор с наружной стороны имеет лопасть первого типа для преобразования давления рабочего тела в крутящий момент ротора, лопасть первого типа расположена в замкнутом пространстве, образованном радиальным зазором между ротором и корпусом, имеется ролик-разделитель, расположенный в корпусе с возможностью вращения, ролик-разделитель сопряжен с ротором с обеспечением разделения объёма в зазоре между ротором и корпусом на камеры, ролик-разделитель имеет впадину для прохождения лопасти при ее движении через него.A close analogue of the device is known - a roller-blade engine - RU2491432, 09.15.2011, adopted as a prototype of the device, containing a housing with inlet and outlet openings, a rotor located in the housing with the possibility of rotation, the rotor on the outside has a blade of the first type for converting pressure working fluid in the torque of the rotor, the blade of the first type is located in a closed space formed by a radial gap between the rotor and the housing, there is a separator roller located in the housing with the possibility of rotation, the separator roller is connected to the rotor to ensure separation of the volume in the gap between the rotor and housing on the cameras, the separator roller has a depression for the blade to pass through when it moves through it.
Первым недостатком прототипа при применении для привода винта летательного аппарата является ограничение передаваемой мощности прочностью вала, передающего крутящий момент ротора на винт летательного аппарата, а также прочностью лопастей винта у основания. При передаче момента с ротора на лопасти винта возникают большие касательные напряжения на валу, передающем момент от ротора к винту, а также большие изгибающие напряжения у основания лопастей винта. Так как диаметр передающего момент вала значительно меньше, чем двойное плечо приложения силы от давления сжатого газа на лопасть ротора, то на валу возникают значительные по величине касательные напряжения скручивания вала. Так как точка приложения создающей поток воздуха силы на лопасти винта находится ближе к краю лопасти, то есть на расстоянии от оси вала близком к радиусу винта, то у основания лопасти – в месте её сопряжения с валом – возникают значительные по величине изгибающий момент и напряжения. Перечисленные нагрузки на вал и винт накладывают повышенные требования к материалам данных деталей и повышают их вес, который при проектировании летательных аппаратов является одним из ключевых параметров, определяющих летные характеристики. Это накладывает требование использования высокопрочных сталей и не позволяет изготавливать детали двигателя из радиопрозрачных материалов.The first disadvantage of the prototype when used to drive an aircraft propeller is the limitation of the transmitted power by the strength of the shaft that transmits the rotor torque to the aircraft propeller, as well as the strength of the propeller blades at the base. When transmitting torque from the rotor to the propeller blades, large shear stresses arise on the shaft transmitting torque from the rotor to the propeller, as well as large bending stresses at the base of the propeller blades. Since the diameter of the torque-transmitting shaft is significantly smaller than the double arm of the application of force from the compressed gas pressure on the rotor blade, significant tangential torsion stresses arise on the shaft. Since the point of application of the force creating the air flow on the propeller blade is closer to the edge of the blade, that is, at a distance from the shaft axis close to the radius of the propeller, significant bending moments and stresses arise at the base of the blade - at the place where it mates with the shaft. The listed loads on the shaft and propeller impose increased demands on the materials of these parts and increase their weight, which is one of the key parameters determining flight characteristics when designing aircraft. This imposes a requirement to use high-strength steels and does not allow the production of engine parts from radiotransparent materials.
Вторым недостатком прототипа является создание повышенного лобового сопротивления двигателем из-за наличия центрального вала, снижающего аэродинамику летательного аппарата.The second disadvantage of the prototype is the creation of increased drag by the engine due to the presence of a central shaft, which reduces the aerodynamics of the aircraft.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в снижении напряжений, возникающих в деталях двигателя и, как следствие, снижении требований к применяемому материалу с обеспечением потенциала увеличения мощности двигателя, а также в повышении аэродинамических свойств двигателя.The technical result of the proposed invention is to reduce the stresses arising in engine parts and, as a result, reduce the requirements for the material used, providing the potential for increasing engine power, as well as increasing the aerodynamic properties of the engine.
Технический результат достигается в ролико-лопастном двигателе, содержащем корпус с впускным и выпускным отверстиями, ротор, размещенный в корпусе с возможностью вращения, ротор с наружной стороны имеет лопасть первого типа для преобразования давления рабочего тела в крутящий момент ротора, лопасть первого типа расположена в замкнутом пространстве, образованном радиальным зазором между ротором и корпусом, имеется ролик-разделитель, расположенный в корпусе с возможностью вращения, ролик-разделитель сопряжен с ротором с обеспечением разделения объёма в зазоре между ротором и корпусом на камеры, ролик-разделитель имеет впадину для прохождения лопасти при ее движении через него, причем корпус выполнен открытым с двух сторон вдоль оси ротора с обеспечением пропускания сквозь него потока среды, ротор имеет форму обечайки, с внутренней стороны которой размещена лопасть второго типа с возможностью преобразования крутящего момента ротора в силу, создающую поток среды, направленный вдоль его оси, поперечное сечение внутри обечайки ротора перекрыто только лопастями, ширина лопасти у основания, ближе к ротору, больше, чем у ее конца.The technical result is achieved in a roller-blade engine containing a housing with inlet and outlet openings, a rotor located in the housing with the possibility of rotation, the rotor on the outside has a blade of the first type for converting the pressure of the working fluid into torque of the rotor, the blade of the first type is located in a closed space formed by the radial gap between the rotor and the housing, there is a separator roller located in the housing with the possibility of rotation, the separator roller is coupled with the rotor to ensure the division of the volume in the gap between the rotor and the housing into chambers, the separator roller has a depression for the passage of the blade when its movement through it, and the housing is made open on both sides along the rotor axis to ensure the passage of a medium flow through it, the rotor has the shape of a shell, on the inner side of which a second type blade is placed with the ability to convert the rotor torque into a force that creates a medium flow directed along its axis, the cross section inside the rotor shell is covered only by the blades, the width of the blade at the base, closer to the rotor, is greater than at its end.
На фиг.1 изображено сечение ролико-лопастного двигателя, перпендикулярное ось вращения ротора.Figure 1 shows a cross-section of a roller-blade engine perpendicular to the axis of rotation of the rotor.
На фиг.2 изображено сечение ролико-лопастного двигателя, в плоскости оси вращения ротора.Figure 2 shows a cross-section of a roller-blade engine in the plane of the rotor rotation axis.
На фиг.3 изображен вариант исполнения ролико-лопастного двигателя с торцевыми лабиринтным уплотнениями, в котором ротор установлен на телах качения.Figure 3 shows an embodiment of a roller-blade engine with end labyrinth seals, in which the rotor is mounted on rolling elements.
Ролико-лопастной двигатель содержит корпус 1 с впускным 2 и выпускным 3 отверстиями, как показано на фиг.1, ротор 4, размещенный в корпусе 1 с возможностью вращения, ротор 4 с наружной стороны 5 имеет лопасть 6 первого типа для преобразования давления рабочего тела в крутящий момент ротора 4, лопасть 6 первого типа расположена в замкнутом пространстве 7, образованном радиальным зазором 8 между ротором 4 и корпусом 1, имеется ролик-разделитель 9, расположенный в корпусе 1 с возможностью вращения, ролик-разделитель 9 сопряжен с ротором 4 с обеспечением разделения объёма в зазоре 8 между ротором 4 и корпусом 1 на камеры (7), ролик-разделитель 9 имеет впадину 10 для прохождения лопасти 6 при ее движении через него, что корпус 1 выполнен открытым с двух сторон 11 и 12 вдоль оси 13 ротора 4, как показано на фиг.2, с обеспечением пропускания сквозь него потока среды, ротор 4 имеет форму обечайки, с внутренней стороны 14 которой размещена лопасть 15 второго типа с возможностью преобразования крутящего момента ротора 4 в силу, создающую поток 16 среды, направленный вдоль его оси 13.The roller-blade engine contains a
Рассмотрим пример реализации ролико-лопастного двигателя. Корпус 1 и ротор 4 заодно с лопастями 6, 15 изготавливаются из стеклопластика. Ротор 4 имеет восемь лопастей 6 первого типа, как показано на фиг.1. Лопасть первого типа 6 может быть одна или их может быть несколько. Корпус имеет форму обечайки, с двух сторон 11 и 12 которой имеются стенки 17, как показано на фиг.2, которые ограничивают замкнутое пространство 7 в пределах обечайки ротора 4, лопастей 6 первого типа и внутренней цилиндрической поверхности корпуса 1. Сопряжение ротора 4 с корпусом 1 выполнено с лабиринтным уплотнением 18, как показано на фиг.3, для герметизации замкнутого пространства 7 в зазоре 8. Ротор 4 установлен в корпус 4 на телах качения 19, расположенных с двух сторон 11 и 12. Внутри ротора установлены четыре лопасти 15 второго типа. Ролики разделители 9 изготовлены из стеклонаполненного полиамида. Они разделяют пространство между соседними лопастями 6 первого типа на камеры. Перечисленные детали могут быть изготовлены из других материалов, например, стали, цветных металлов, полимерных материалов или керамики.Let's consider an example of the implementation of a roller-blade engine. The
Рассмотрим пример работы ролико-лопастного двигателя. Двигатель устанавливают на летательный аппарат с крыльями для создания силы тяги, например, на беспилотный летательный аппарат самолетного типа. Через каждое из отверстий 2 в корпусе 1 в замкнутую камеру, образованную в зазоре 8 лопастью 6 первого типа и роликом 9, подают рабочее тело. В качестве рабочего тела используют азот, который запасен в криогенных емкостях в сжиженном состоянии на борту летательного аппарата. Также в качестве рабочего тела может быть применен, к примеру, сжатый воздух или аргон. Жидкий азот, нагреваясь от окружающей среды в теплообменнике, переходит в газообразное состояние и начинает расширяться, создавая давление в камере 7. Это давление создает силу F1 на поверхности лопасти 6 первого типа, как показано на фиг.1. Через отверстия 3 в корпусе 1 газ выпускают из камеры. В результате воздействия указанной силы F1 на лопатки 6 ротора 4 на нем образуется крутящий момент М=F1*R1. Так как на роторе 4 имеются лопасти второго типа 15, имеющие геометрию, обеспечивающую создание потока воздуха, то указанный крутящий момент M преобразуется в силу F2 = M/R2, изображенную на фиг.1, 2. Сила F2 создает поток среды – воздуха вдоль оси 13 ротора 4, она является силой тяги, обеспечивающей полет летательного аппарата. Так как создающую крутящий момент М силу F1 прикладывают на лопасти 6 первого типа на плече R1, которое больше плеча R2 силы F2 на лопастях второго типа 15, а передачу момента от лопастей первого типа 6 к лопастям второго типа 15 осуществляют через тело 16, которым является обечайка ротора 3, и которое расположено в пространстве между плечами R1 и R2 приложения указанных сил, то напряжения, создаваемые моментом М в обечайке ротора 4 значительно меньше, чем в случае применения для передачи момента М приводного вала диаметром значительно меньше двух R2, который обычно применяют в распространенных схемах приводов, который бы применяли в прототипе. Предложенный способ и устройство позволяют применить лопатки второго типа 15 с такой геометрией, как показано на фиг.1 – лопасть у основания шире. Для эффективной работы лопастей рабочая поверхность лопасти, создающая силу F2, должна быть больше именно на расстоянии радиуса R2 от оси 13, чем около оси 13 вращения ротора 4, так как на расстоянии R2 больше окружная скорость. Так как ширина лопасти на расстоянии R2 и в месте соединения с обечайкой ротора 4 больше, то напряжения изгиба лопасти меньше. Снижение напряжений достигнуто тем, что момент на лопасть передают не от центрального вала, как в распространенных схемах приводов, а через обечайку ротора 4. В распространенных схемах приводов пришлось бы делать лопасть значительно шире вблизи оси – в месте её присоединения к приводному валу. Но поверхность лопасти вблизи оси менее эффективна для создания силы F2 из-за малой окружной скорости в этом месте, следовательно в такой схеме имеют место неэффективное использование материала и увеличение массы летательного аппарата. Let's consider an example of the operation of a roller-blade engine. The engine is installed on an aircraft with wings to generate thrust, for example, on an aircraft-type unmanned aerial vehicle. Through each of the
Предложенное устройство позволяет снизить напряжения, возникающие в лопастях и обечайке двигателя. Для их реализации приводной вал не применяется, поэтому отсутствует высоконагруженный элемент, который необходимо изготавливать из высокопрочной стали. Так как в традиционных схемах двигателей напряжения в материале деталей являются сдерживающим фактором для увеличения его мощности, то предлагаемое изобретение повышает потенциал увеличения мощности двигателя путем увеличения его диаметра. Снижение напряжений материала позволяет изготавливать детали двигателя из неметаллов, обеспечивая тем самым их радио-проницаемость, обеспечивая незаметность летательного аппарата для радаров. The proposed device allows to reduce the stresses arising in the blades and shell of the engine. To implement them, a drive shaft is not used, so there is no highly loaded element that must be made of high-strength steel. Since in traditional engine designs, stress in the material of the parts is a limiting factor for increasing its power, the proposed invention increases the potential for increasing engine power by increasing its diameter. Reducing material stresses makes it possible to manufacture engine parts from non-metals, thereby ensuring their radio permeability, making the aircraft invisible to radar.
Так как отсутствует вал вблизи оси 13, то снижается аэродинамическое сопротивление двигателя. Отсутствие у летательного аппарата двигателя с ведущим валом внутри позволяет избежать риска аварии и возгорания при попадании птиц внутрь воздушного винта.Since there is no shaft near the
Предложенный двигатель является классическим примером импеллера — лопаточной машиной, заключённой в кольцо, что существенно снижает перетекание воздуха на концах лопастей и снижает потери мощности на индуктивном сопротивлении, а также снижает шумность двигателя. The proposed engine is a classic example of an impeller - a blade machine enclosed in a ring, which significantly reduces the flow of air at the ends of the blades and reduces power losses due to inductive resistance, and also reduces engine noise.
Устройство предложенного двигателя позволяет рекуперировать часть энергии путем закачивания газа из отверстий 3 в накопительный баллон при торможении двигателем во время посадки летательного аппарата, повышая тем самым энергоэффективность и экономичность двигателя. The design of the proposed engine makes it possible to recover part of the energy by pumping gas from
Устройство предложенного двигателя позволяет упростить трансмиссию, так как для привода лопастей второго типа не требуется применение понижающего редуктора, как в традиционных схемах. Это достигается тем, что крутящий момент, получаемый на лопастях первого типа, уже достаточен для привода лопастей второго типа и не требует увеличения редуктором. Большой крутящий момент достигается тем, что он получается на большом диаметре (большом плече приложения силы) и тем, что расширение рабочего тела (рабочий ход) двигателя происходит в режиме изобарного процесса – при постоянном давлении, равномерно создавая заданный крутящий момент при любых значениях оборотов двигателя начиная с нуля. А в традиционных двигателях внутреннего сгорания давление, создаваемое микровзрывом топлива, не постоянно во времени.The design of the proposed engine makes it possible to simplify the transmission, since the drive of the second type of blades does not require the use of a reduction gear, as in traditional schemes. This is achieved by the fact that the torque obtained on the blades of the first type is already sufficient to drive the blades of the second type and does not require an increase by the gearbox. Large torque is achieved by the fact that it is obtained at a large diameter (large shoulder of force application) and by the fact that the expansion of the working fluid (power stroke) of the engine occurs in an isobaric process mode - at constant pressure, uniformly creating a given torque at any engine speed. starting from scratch. And in traditional internal combustion engines, the pressure created by the micro-explosion of the fuel is not constant over time.
В традиционном двигателе крутящий момент представляет собой произведение сил давления рабочей среды на полезную поверхность главного рабочего органа на плечо приложения. В случаях с поршневыми двигателями плечо приложения сил равно радиусу кривошипа коленчатого вала, в случаях с роторными двигателями Ванкеля плечо приложения сил равно расстоянию между центром ротора и осью эксцентрикового вала. В описываемом двигателе плечом приложения сил является расстояние от оси вращения до середины лопасти первого типа. Оно может быть большого размера. Предлагаемое изобретение повышает потенциал увеличения мощности двигателя за счет увеличения его диаметра.In a traditional engine, torque is the product of the pressure forces of the working medium on the useful surface of the main working body and the application arm. In cases with piston engines, the force application arm is equal to the radius of the crankshaft crank; in cases with Wankel rotary engines, the force application arm is equal to the distance between the center of the rotor and the axis of the eccentric shaft. In the described engine, the shoulder for applying forces is the distance from the axis of rotation to the middle of the blade of the first type. It can be large. The proposed invention increases the potential for increasing engine power by increasing its diameter.
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2808333C1 true RU2808333C1 (en) | 2023-11-28 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2230194C2 (en) * | 2001-11-08 | 2004-06-10 | Домогацкий Виктор Викторович | Roller-vane machine |
US20090148287A1 (en) * | 2004-12-01 | 2009-06-11 | Suciu Gabriel L | Fan blade with integral diffuser section and tip turbine blade section for a tip turbine engine |
RU2584051C2 (en) * | 2010-08-12 | 2016-05-20 | Циль-Абегг АГ | Ventilator |
RU172875U1 (en) * | 2016-12-22 | 2017-07-28 | Дмитрий Владимирович Веденин | Device for transferring mechanical energy to a fluid |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2230194C2 (en) * | 2001-11-08 | 2004-06-10 | Домогацкий Виктор Викторович | Roller-vane machine |
US20090148287A1 (en) * | 2004-12-01 | 2009-06-11 | Suciu Gabriel L | Fan blade with integral diffuser section and tip turbine blade section for a tip turbine engine |
RU2584051C2 (en) * | 2010-08-12 | 2016-05-20 | Циль-Абегг АГ | Ventilator |
RU172875U1 (en) * | 2016-12-22 | 2017-07-28 | Дмитрий Владимирович Веденин | Device for transferring mechanical energy to a fluid |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CA2662433C (en) | Split-cycle aircraft engine | |
EP2233691B1 (en) | Volume expansion rotary piston machine | |
US8950377B2 (en) | Hybrid internal combustion engine (variants thereof) | |
AU2007209302B2 (en) | Pulling rod engine | |
EP2064435A2 (en) | Open cycle internal combustion engine | |
JPH076398B2 (en) | Internal combustion engine | |
AU719681B2 (en) | Satellite engine/machine | |
RU2808333C1 (en) | Method for converting energy of pressurized working fluid into energy of medium flow and roller-blade motor for its implementation | |
WO2002052125A1 (en) | Rotary piston machine | |
US5154149A (en) | Rotary motor/pump | |
CN108350743B (en) | Device for obtaining mechanical work from a non-thermal energy source | |
CN101368486A (en) | Supercharging centrifugal type gas cylinder/water vat engine | |
CN101705927A (en) | Compressed air engine and application thereof | |
CN113167172A (en) | Rotor type internal combustion engine and method of operating the same | |
EP3458691B1 (en) | A conduit connection assembly with pressure relief | |
CA2207663C (en) | Satellite engine/machine | |
RU2587506C2 (en) | Method of operating rotary-vane machine (versions) and rotary-vane machine | |
RU2327886C9 (en) | "трд-кан21" internal combustion tore-rotor engine (versions) | |
JP3201789U (en) | Pneumatic rotation assist device | |
RU219164U1 (en) | Aircraft engine inconspicuous | |
RU2772831C1 (en) | Rotary gas turbine engine | |
EP3916199A1 (en) | Combustion engine | |
US20210388758A1 (en) | Combustion engine | |
EP2650472B1 (en) | Direct circular rotary internal combustion engine with toroidal expansion chamber and rotor without moving parts | |
CN115030812A (en) | Double-shaft impeller rotor engine |