RU61803U1

RU61803U1 - ENGINE

Info

Publication number: RU61803U1
Application number: RU2005139481/06U
Authority: RU
Inventors: Юрий Михайлович Трубников; Евгений Владимирович Шахматов; Юрий Михайлович Русанов; Александр Георгиевич Прохоров
Priority date: 2005-12-16
Filing date: 2005-12-16
Publication date: 2007-03-10

Abstract

Предполагаемое изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в качестве силовой установки на воздушных, водных или сухопутных транспортных средствах.The alleged invention relates to engine building and can be used as a power plant in air, water or land vehicles.

Данная задача решается за счет того, что двигатель, содержащий два ротора, установленных внутри разделенного поперечными перегородками корпуса, включающего впускное и выпускное окна, камеру сгорания, компрессорный и расширительный отсеки, внутренняя поверхность корпуса выполнена в виде двух параллельных пересекающихся цилиндров, внутри которых на параллельных валах между поперечными перегородками имеются роторы, выполненные в виде некруглых колес, катящихся друг по другу, причем для синхронизации вращения этих роторов валы связаны между собой через некруглые зубчатые колеса, причем их делительный контур совпадает с образующей поверхности роторов, а стенки камеры сгорания выполнены из керамики и в них вмонтированы электроды, на которые подается электрический потенциал.This problem is solved due to the fact that the engine containing two rotors installed inside the housing divided by transverse partitions, including the inlet and outlet windows, the combustion chamber, compressor and expansion compartments, the inner surface of the housing is made in the form of two parallel intersecting cylinders, inside of which on parallel the shafts between the transverse partitions there are rotors made in the form of non-circular wheels rolling along each other, and to synchronize the rotation of these rotors the shafts are connected m each other through non-circular gears, and their dividing contour coincides with the generatrix of the surface of the rotors, and the walls of the combustion chamber are made of ceramics and electrodes are mounted in them, on which the electric potential is supplied.

Description

Известен газотурбинный двигатель, работающий по разомкнутой схеме с внутренним горением, состоящий из турбины, камеры сгорания и компрессора, расположенных на одном валу. Воздух для горения засасывается компрессором, где сжимается и направляется в камеру сгорания, в которой при постоянном давлении (P=const) сжигается топливо. Расчетный КПД описанной установки при температуре газа перед турбиной 725°С равен 21% (см. Матвеев Г.А. Теплотехника. М. Высшая школа, 1981, с.358).Known gas turbine engine operating on an open circuit with internal combustion, consisting of a turbine, a combustion chamber and a compressor located on one shaft. The combustion air is sucked in by the compressor, where it is compressed and sent to the combustion chamber, in which fuel is burned at constant pressure (P = const). The calculated efficiency of the described installation at a gas temperature in front of the turbine of 725 ° C is 21% (see Matveev G. A. Thermotechnics. M. Higher School, 1981, p. 358).

Недостатком данного двигателя является невысокий КПД. Кроме этого, в диапазоне мощностей от 1000 кВт и менее газотурбинные двигатели значительно уступают по экономичности поршневым двигателям внутреннего сгорания. Это связывается с большими потерями рабочего тела через неплотности газовых стыков лопаточных машин, что особенно заметно при небольших частотах вращения и малом диаметре ротора турбины.The disadvantage of this engine is its low efficiency. In addition, in the power range from 1000 kW and less, gas turbine engines are significantly inferior in efficiency to reciprocating internal combustion engines. This is associated with large losses of the working fluid through leaks in the gas joints of the blade machines, which is especially noticeable at low speeds and a small diameter of the turbine rotor.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому изобретению является роторный двигатель объемного типа, работающий по газотурбинному циклу с подводом теплоты при постоянном объеме (v=const), содержащий корпус с впускным и выпускным патрубками, эксцентрично установленный в нем ротор с лопатками, делящими компрессорный и расширительный отсеки на несколько изолированных объемов, вынесенную камеру сгорания с форсункой, при этом камера сгорания связана с проточной Closest to the technical essence of the present invention is a rotary engine of a volume type, operating on a gas turbine cycle with a supply of heat at a constant volume (v = const), comprising a housing with inlet and outlet nozzles, an eccentrically mounted rotor with vanes dividing the compressor and expansion compartments for several isolated volumes, an external combustion chamber with a nozzle, while the combustion chamber is connected to the flow

частью отсеков соединительными клапанами (RU, патент 2123123, МПК F 02 В 53/08, 1998).part of the compartments by connecting valves (RU, patent 2123123, IPC F 02 B 53/08, 1998).

Недостатком данного двигателя является его неэкономичность. Двигатель объемного типа для сжатия и расширения рабочего тела обладает большими механическими потерями и с увеличением оборотов такие потери будут возрастать. Подвижные лопатки в расширительной части двигателя работают в условиях значительной теплонапряженности. Смазка пар трения при высоких окружающих температурах приводит к быстрому закоксовыванию сопрягаемых подвижных элементов ротора. Именно этим и объясняется отсутствие работоспособных конструкций двигателей, работающих по газотурбинному циклу с подводом теплоты в цикле как при постоянном объеме, так и при постоянном давлении.The disadvantage of this engine is its inefficiency. A volumetric type engine for compression and expansion of the working fluid has large mechanical losses, and with an increase in speed, such losses will increase. Moving blades in the expansion part of the engine operate in conditions of significant heat stress. Lubrication of friction pairs at high ambient temperatures leads to rapid coking of the mating movable rotor elements. This explains the lack of efficient engine designs operating in a gas turbine cycle with heat input in the cycle both at a constant volume and at a constant pressure.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а также обеспечение положительных свойств газотурбинных и поршневых машин в одном силовом агрегате.The objective of the present invention is to remedy these disadvantages, as well as ensuring the positive properties of gas turbine and reciprocating engines in one power unit.

Данная задача решается за счет того, что двигатель, содержащий два ротора, установленных внутри разделенного поперечными перегородками корпуса, включающего впускное и выпускное окна, камеру сгорания, компрессорный и расширительный отсеки, согласно изобретению, внутренняя поверхность корпуса выполнена в виде двух параллельных пересекающихся цилиндров, внутри которых на параллельных валах между поперечными перегородками имеются роторы, выполненные в виде некруглых колес, катящихся друг по другу, причем для синхронизации вращения этих роторов валы связаны между собой через некруглые зубчатые колеса, причем их делительный контур совпадает с образующей поверхности роторов, а стенки камеры сгорания выполнены из керамики и в них вмонтированы электроды, на которые подается электрический потенциал.This problem is solved due to the fact that the engine containing two rotors installed inside the housing divided by transverse partitions, including the inlet and outlet windows, the combustion chamber, compressor and expansion compartments, according to the invention, the inner surface of the housing is made in the form of two parallel intersecting cylinders, inside which on parallel shafts between the transverse partitions there are rotors made in the form of non-circular wheels rolling along each other, and to synchronize the rotation of these The rotors of the shafts are interconnected through non-circular gears, and their dividing contour coincides with the generatrix of the surface of the rotors, and the walls of the combustion chamber are made of ceramics and electrodes are mounted on them, to which the electric potential is supplied.

Поскольку каждая пара сопряженных роторов работает по сути дела как шестеренный насос с двухзубыми шестернями, то перемещение рабочего Since each pair of mating rotors essentially works like a gear pump with double-tooth gears, moving the worker

тела идет только в одном направлении и достигаемое давление после каждой ступени не зависит ни от разовой порции перемещаемого рабочего тела, ни от объемов промежуточных между ступенями компрессора или расширительной части двигателя каналов и автоматически устанавливается обратно пропорционально рабочим объемам соседних ступеней, т.е. "мертвых" объемов как таковых не существует, а для снижения гидравлического сопротивления каналов их сечение можно брать любым, исходя из конструктивных соображений и для снижения термодинамических потерь их можно теплоизолировать.of the body goes in only one direction and the pressure achieved after each stage does not depend on a single portion of the moving working fluid or on the volumes of channels intermediate between the compressor stages or the expansion part of the engine and is automatically set inversely to the working volumes of the neighboring stages, i.e. "dead" volumes as such do not exist, and to reduce the hydraulic resistance of the channels, their cross-section can be taken by anyone, based on design considerations and to reduce thermodynamic losses, they can be insulated.

Вследствие отсутствия в силовых элементах двигателя трения скольжения отпадает необходимость в смазке, а механический КПД такого двигателя будет максимальным, т.к. в создании механического сопротивления участвует только трение качения в зубчатом зацеплении, опорных подшипниках и между роторами, где сила прижатия может быть сведена к нулю.Due to the absence of sliding friction in the power elements of the engine, there is no need for lubrication, and the mechanical efficiency of such an engine will be maximum, because In the creation of mechanical resistance, only rolling friction is involved in the gearing, thrust bearings and between the rotors, where the pressing force can be reduced to zero.

Создание в камере сгорания электростатического или высокочастотного электромагнитного поля значительно улучшает воспламенение и горение топливной смеси в широком диапазоне соотношений воздуха и топлива, что позволяет применять на одном двигателе самые различные виды жидкого или газообразного топлива, так что введение в боковые стенки камеры сгорания электродов для создания внутри нее электростатического или высокочастотного электромагнитного поля требует включения их в перечень отличительных признаков, обеспечивающих повышение качества работы двигателя.The creation of an electrostatic or high-frequency electromagnetic field in the combustion chamber significantly improves the ignition and combustion of the fuel mixture in a wide range of air-fuel ratios, which makes it possible to use a wide variety of liquid or gaseous fuels on one engine, so that the introduction of electrodes into the side walls of the combustion chamber to create inside electrostatic or high-frequency electromagnetic field requires their inclusion in the list of distinguishing features, providing an increase engine performance.

В известных в науке и технике решениях (в объеме проведенного поиска) указанные отличительные признаки не были обнаружены, что позволяет утверждать, что изобретение соответствует критериям новизны изобретательского уровня.In the solutions known in science and technology (in the scope of the search), these distinguishing features were not found, which suggests that the invention meets the criteria of novelty of an inventive step.

Турбовинтовой двигатель поясняется чертежом:Turboprop engine is illustrated by the drawing:

где фиг.1 изображен продольный разрез двигателя; на фиг.2 - сечение А-А; на фиг.3 - сечение Б-Б; на фиг.4 - сечение В-В; на фиг.5 - сечение Г-Г; на фиг.6 изображено то же сечение Г-Г после того, как валы повернулись на 90°.where figure 1 shows a longitudinal section of an engine; figure 2 is a section aa; figure 3 is a section bB; figure 4 - section bb; figure 5 is a cross section GG; figure 6 shows the same section GG after the shafts have turned 90 °.

Турбопоршневой двигатель содержит корпус 1, внутри которого на выходном валу 2 и вспомогательном валу 3, находящихся в зацеплении через некруглые зубчатые колеса 4 находятся роторы 5, разделенные между собой перегородками 6, образующими внутри корпуса 1 замкнутые объемы, являющиеся ступенями компрессора (слева от сеч. В-В) или расширительной части (справа от сеч. В-В), между которыми находится распределительное устройство 7, а сами ступени соединены между собой каналами 8. В распределительном устройстве 7 имеются окна 9, а в перегородках 6 соответствующие окна 10. Между компрессором и расширительной частью находится камера сгорания 11 с запальной свечой или форсункой 12, а в перегородках 6, образующих ее боковые стенки, вмонтированы электроды 13.The turbo-piston engine contains a housing 1, inside of which on the output shaft 2 and auxiliary shaft 3, which are meshed through non-circular gears 4, rotors 5 are located, separated by baffles 6, forming closed volumes inside the housing 1, which are compressor steps (to the left of the section. B-B) or an expansion part (to the right of section B-B), between which there is a switchgear 7, and the steps themselves are connected by channels 8. In the switchgear 7 there are windows 9, and in the partitions 6 there are stvuyuschie box 10. Between the compressor and the expansion part is situated a combustion chamber 11 with spark plug or nozzle 12 and in the partitions 6 that form its side walls, the electrodes 13 are mounted.

Работа двигателя осуществляется следующим образом (см. фиг.3). При вращении выходного вала 2 и соответственно роторов 5 воздух или топливная смесь через впускное отверстие всасывается в первую ступень компрессора и отдельными порциями, отсекаемыми вершинами больших осей роторов 5, перемещается через канал 8 во входное отверстие второй ступени компрессора, из которой эти порции перемещаются в третью ступень и т.д. Поскольку наружная поверхность всех роторов образована делительным контуром зубчатого зацепления, общего для всех роторов, т.е. одинаковая у всех роторов, то геометрическая степень сжатия или расширения рабочего тела обратно пропорциональна размерам этих роторов, т.е. ступеней вдоль оси двигателя.The engine is as follows (see figure 3). When the output shaft 2 and, accordingly, rotors 5 are rotated, air or fuel mixture is sucked into the first compressor stage through the inlet and, in separate portions cut off by the vertices of the major axes of the rotors 5, moves through channel 8 into the inlet of the second compressor stage, from which these portions move to the third stage, etc. Since the outer surface of all rotors is formed by a dividing gear contour, common to all rotors, i.e. the same for all rotors, the geometric degree of compression or expansion of the working fluid is inversely proportional to the size of these rotors, i.e. steps along the axis of the engine.

Таким образом в компрессоре происходит последовательное сжатие воздуха или топливной смеси до расчетного давления и накопление его в Thus, the compressor sequentially compresses the air or fuel mixture to the design pressure and accumulates it in

буферном объеме, каковым может быть объем канала и полостей перед распределителем 7. При совпадении окон 9 в распределителе 7 и окон 10 в прилегающих к нему боковых перегородках 6 происходит перепуск воздуха или топливной смеси из буферного объема в камеру сгорания 11 и после закрытия перепускных окон воспламенение топливной смеси запальной свечой или форсункой 12. В камере сгорания в этот момент создается электростатическое или высокочастотное электромагнитное поле путем подачи на электроды 13 соответствующего электрического потенциала. Сгорание топлива происходит в замкнутом объеме, давление в камере сгорания повышается, ротор на валу 3 находится в равновесном положении, а ротор на выходном валу 2 создает крутящий момент, направленный против часовой стрелки (см. фиг.5). После поворота валов на 90° (см. фиг.6) ситуация меняется и уже ротор на валу 2 находится в равновесии, а ротор на валу 3 через зубчатое зацепление создает на выходном валу крутящий момент, направленный опять же против часовой стрелки, т.е. вращающий момент всегда направлен в одну сторону. Вследствие того, что степень расширения в одной ступени недостаточна для полного срабатывания давления, расширительная часть двигателя состоит из нескольких ступеней.the buffer volume, which may be the volume of the channel and the cavities in front of the distributor 7. If the windows 9 in the distributor 7 and the windows 10 in the adjacent side walls 6 coincide, air or fuel mixture is transferred from the buffer volume to the combustion chamber 11 and after closing the bypass windows the fuel mixture with a spark plug or nozzle 12. An electrostatic or high-frequency electromagnetic field is created in the combustion chamber at this moment by applying an appropriate electric potential to the electrodes 13. The combustion of fuel occurs in a closed volume, the pressure in the combustion chamber rises, the rotor on the shaft 3 is in equilibrium, and the rotor on the output shaft 2 creates a counterclockwise torque (see Fig. 5). After the shafts rotate 90 ° (see Fig. 6), the situation changes and the rotor on the shaft 2 is in equilibrium, and the rotor on the shaft 3 generates a torque on the output shaft, again counterclockwise, i.e. . torque is always directed in one direction. Due to the fact that the degree of expansion in one stage is insufficient for a complete pressure response, the expansion part of the engine consists of several stages.

Таким образом полный цикл, осуществляемый двигателем, состоит из отдельных этапов: порционного всасывания, порционного перемещения, порционного сжатия, порционного перепуска из компрессора в камеру сгорания, сгорания топливной смеси в камере сгорания и далее - порционного расширения сгоревших газов с последующим их выпуском в выпускное окно. Все это происходит одновременно и непрерывно во всех ступенях. В двигателе реализуется цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (v=const), наиболее экономичный в сравнении с другими термодинамическими циклами.Thus, the complete cycle carried out by the engine consists of separate stages: batch suction, batch transfer, batch transfer, batch transfer from the compressor to the combustion chamber, combustion of the fuel mixture in the combustion chamber, and then batch expansion of the burnt gases with their subsequent release into the exhaust window . All this happens simultaneously and continuously in all steps. The engine implements a cycle with heat supply at a constant volume (v = const), the most economical in comparison with other thermodynamic cycles.

Рассмотренный тип двигателя, в основе которого лежит зацепление некруглых зубчатых колес допускает возможность получения высокой The considered type of engine, which is based on the engagement of non-circular gears, allows the possibility of obtaining high

степени сжатия (ε) до ста и более единиц в одном агрегате и в отличие от прототипа не имеет "мертвого" пространства. По ходу движения рабочего тела, особенно в области высоких температур, гарантировано отсутствие масла в проточной части двигателя, приводящее к закоксовыванию его рабочих элементов, а учитывая возможность отбора части расхода воздуха на газостатические подшипники опор валов и охлаждение горячих зон, масло или другие жидкости можно вообще исключить. То, что основные нагруженные детали работают на сжатие, очень благоприятно для использования керамических материалов, что повысит термодинамический и общий КПД двигателя, а то, что схема допускает полное расширение рабочего тела, позволяет использовать его без глушителя шума.compression ratio (ε) to one hundred or more units in one unit and, unlike the prototype, does not have a “dead” space. In the direction of movement of the working fluid, especially in the high temperature region, the absence of oil in the engine’s flow path is guaranteed, which leads to coking of its working elements, and given the possibility of taking part of the air flow to the gas-static bearings of the shaft supports and cooling of hot zones, oil or other liquids, it is generally possible to exclude. The fact that the main loaded parts work in compression is very favorable for the use of ceramic materials, which will increase the thermodynamic and overall efficiency of the engine, and the fact that the circuit allows full expansion of the working fluid allows it to be used without a noise muffler.

Claims

1. An engine comprising a housing including an inlet and an outlet window, a compressor and expansion compartments, and a combustion chamber, characterized in that the internal cavity of the housing is made in the form of two parallel intersecting cylinders intersecting cylinders, inside of which rolling on each other two parallel shafts between the partitions according to another, the vertices of the major axes describe the inner surfaces of the cylinders rotors made in the form of non-circular, for example oval-shaped wheels.

2. The engine according to claim 1, characterized in that the shafts are interconnected by gearing, and the dividing contour of the gears coincides with the generatrix of the surface of the rotors.

3. The engine according to claim 1, characterized in that the combustion chamber is made of a material with low thermal conductivity, such as ceramic.

4. The engine according to claim 1, characterized in that the transverse partitions are equipped with electrodes to which an electric potential is supplied.