Дисковий двигун каскадного обміну тиском

Реферат: Дисковий двигун каскадного обміну тиском містить статор, вікно для підведення паливоповітряної суміші, вікно для відведення газів, ротор, оснащений перегородками, що утворюють напорообмінні комірки з вихідними перетинами, частина кожної з перегородок з боку зовнішньої циліндричної поверхні ротора розділена на дві пелюстки, одна із яких лежить в одній площині з нижньою частиною перегородки, інша - загнута у напрямку, протилежному обертанню ротора, на внутрішній циліндричній поверхні статора по обидві сторони від вікна для відведення газів розміщений ряд вікон, попарно сполучених між собою масообмінними каналами, вікна, розташовані по одну сторону вікна для відведення газів, охоплюють частину ротора з загнутими пелюстками, вікна, розташовані по іншу сторону вікна для відведення газів принаймні охоплюють частину ротора із плоскими пелюстками, на зовнішній циліндричній поверхні статора опозитно вікну для підведення паливоповітряної суміші виконане поглиблення з розміщеним у ньому джерелом запалення суміші. Кожне з вікон на внутрішній циліндричній поверхні статора, розташоване по одну сторону вікна для відведення газів, що охоплює частину ротора з загнутими пелюстками, сполучене з відповідним масообмінним каналом за допомогою конфузора, а кожне вікно на внутрішній циліндричній поверхні статора, розташоване по іншу сторону вікна для відведення газів, що охоплює частину ротора із плоскими пелюстками, сполучене з відповідним масообмінним каналом за допомогою дифузора. UA 96823 U (54) ДИСКОВИЙ ДВИГУН КАСКАДНОГО ОБМІНУ ТИСКОМ UA 96823 U UA 96823 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі двигунобудування і може бути використана для привода різних механізмів. Відомо дисковий двигун, що містить статор, на зовнішній циліндричній поверхні якого розміщене вікно для підведення паливоповітряної суміші, а на внутрішній циліндричній поверхні - вікно для відведення газів, ротор, оснащений s-подібними перегородками, що утворюють напорообмінні комірки з вихідними перетинами, розташованими на його внутрішній і зовнішній поверхні (див. Piechna, J., Akbari, P., Iancu, F., Miller, N. "Radial-Flow Wave Rotor Concepts, Unconventional Designs and Applications" 2004 International Mechanical Engineering Conference, ASME Paper IMECE 2004-59022,CA, Nov2004.). В основі робочого процесу відомого двигуна використовується принцип хвильового обміну тиском між свіжим зарядом і відпрацьованими газами. Наповнення комірок, укладених між s-подібними перегородками ротора здійснюється з вікна для підведення паливоповітряної суміші і частково сполучено з періодом випуску продуктів згоряння у вікно для відведення газів, при цьому реактивний струмінь газу, який виходить з комірок, створює крутний момент двигуна. Недоліком відомого двигуна є вузький діапазон швидкісних режимів роботи. Яскраво виражений хвильовий характер обмінних процесів визначає чутливість його видаткових характеристик до термодинамічних параметрів робочих середовищ і частоти обертання ротора. Відхилення режиму роботи двигуна від розрахункових умов приводить до руйнування настроєної картини взаємодії хвиль із газорозподільними вікнами і різким зниженням його ККД. За найближчий аналог вибрано дисковий двигун каскадного обміну тиском, що містить статор, на зовнішній циліндричній поверхні якого розміщене вікно для підведення паливоповітряної суміші, а на внутрішній циліндричній поверхні - вікно для відведення газів, ротор, оснащений перегородками, що утворюють комірки з вихідними перетинами, розташованими на його внутрішній і зовнішній поверхнях, частину кожної з перегородок, з боку зовнішньої циліндричної поверхні ротора поділено на дві пелюстки, одна із яких лежить в одній площині з нижньою частиною перегородки, інша - загнута у напрямку, протилежному обертанню ротора, на внутрішній циліндричній поверхні статора по обидві сторони від вікна для відведення газів розміщений ряд вікон, попарно сполучених між собою масообмінними каналами, вікна, розташовані по одну сторону вікна для відведення газів, охоплюють частину ротора з загнутими пелюстками, вікна, розташовані по іншу сторону вікна для відведення газів принаймні охоплюють частину ротора із плоскими пелюстками, на зовнішній циліндричній поверхні статора опозитно вікну для підведення паливоповітряної суміші виконане поглиблення з розміщеним у ньому джерелом запалення суміші (див. Патенти № 104798, МПК F03G 7/06, опубл. 11.03.2014, Бюл. №5). Основним недоліком відомого двигуна є відносно невисокий ККД, обумовлений значними газодинамічними втратами енергії потоку на вході і виході робочого тіла з кожного масообмінного каналу. Технічним результатом корисної моделі є підвищення ККД двигуна шляхом зниження газодинамічних втрат потоку на вході в масообмінні канали і виході робочого тіла з масообмінних каналів, що дозволить збільшити частку корисно використовуваної потокової субстанції в масообмінних каналах, сприяючи додатковому підвищенню попереднього стиску заряду без збільшення кількості підведеної теплоти. Поставлена задача вирішується тим, що в дисковому двигуні каскадного обміну тиском, що містить статор, на зовнішній циліндричній поверхні якого розміщене вікно для підведення паливоповітряної суміші, а на внутрішній циліндричній поверхні - вікно для відведення газів, ротор, оснащений перегородками, що утворюють напорообмінні комірки з вихідними перетинами, розташованими на його внутрішній і зовнішній поверхні, частина кожної з перегородок з боку зовнішньої циліндричної поверхні ротора розділена на дві пелюстки, одна із яких лежить в одній площині з нижньою частиною перегородки, інша - загнута у напрямку, протилежному обертанню ротора, на внутрішній циліндричній поверхні статора по обидві сторони від вікна для відведення газів розміщений ряд вікон, попарно сполучених між собою масообмінними каналами, вікна, розташовані по одну сторону вікна для відведення газів, охоплюють частину ротора з загнутими пелюстками, вікна, розташовані по іншу сторону вікна для відведення газів принаймні охоплюють частину ротора із плоскими пелюстками, на зовнішній циліндричній поверхні статора опозитно вікну для підведення паливоповітряної суміші виконане поглиблення з розміщеним у ньому джерелом запалення суміші, відповідно до корисної моделі, кожне з вікон на внутрішній циліндричній поверхні статора, розташоване по одну сторону вікна для відведення газів, що охоплює частину ротора з загнутими пелюстками, сполучене з відповідним масообмінним каналом за допомогою конфузора, а кожне вікно на внутрішній циліндричній поверхні статора, розташоване по іншу сторону вікна для відведення 1 UA 96823 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 газів, що охоплює частину ротора із плоскими пелюстками, сполучене з відповідним масообмінним каналом за допомогою дифузора. Сполучення кожного з вікон на внутрішній циліндричній поверхні статора, розташованих по одну сторону вікна для відведення газів, що охоплюють частину ротора з загнутими пелюстками, з відповідним масообмінним каналом за допомогою конфузора, дозволить знизити гідравлічний опір руху робочих середовищ на початкових ділянках масообмінних каналів, що відіб'ється на збільшенні енергії стискаючого середовища і, врешті-решт, забезпечить підвищення ККД робочого циклу. Сполучення кожного з вікон на внутрішній циліндричній поверхні статора, розташованого по іншу сторону вікна для відведення газів, що охоплюють частину ротора із плоскими пелюстками, з відповідним масообмінним каналом за допомогою дифузора дозволить зменшити роботу проштовхування робочого тіла по масообмінним каналам, що приведе до інтесифікації масообмінних процесів стиску робочого циклу, поліпшенню наповнення ротора паливоповітряною сумішшю і додатковим підвищенням ККД двигуна. Суть корисної моделі пояснюється кресленням, де представлена принципова схема дискового двигуна каскадного обміну тиском з вирізом частини правої половини двигуна. Дисковий двигун каскадного обміну тиском містить статор 1, на внутрішній циліндричній поверхні якого розміщене вікно 2 для відведення газів, а на зовнішній циліндричній поверхні вікно 3 для підведення паливоповітряної суміші, розділене перегородкою 4 на сектор 5, сполучений з каналом 6 для підведення горючої суміші і сектор 7 - з каналом 8 для підведення повітря з атмосфери, ротор 9, з якого знімається потужність, оснащений перегородками 10, що утворюють напорообмінні комірки 11 із вхідними 12 і вихідними 13 перетинами, відповідно розташованими на його внутрішній і зовнішній поверхнях. Частина кожної з перегородок 10 з боку зовнішньої циліндричної поверхні ротора 9 розділена на дві пелюстки, перша 14 лежить в одній площині з нижньою частиною перегородки 10, інша 15 - загнута у напрямку, протилежному обертанню ротора 9. На внутрішній циліндричній поверхні статора 1 по обидві сторони від вікна 2 для відведення газів розміщені ряд вхідних 16 і вихідних 17 вікон, попарно сполучених між собою симетрично відносно вікна 2 для відведення газів за допомогою масообмінних каналів 18, вхідні вікна 16, розташовані по одну сторону вікна 2 для відведення газів, охоплюють частину ротора 9 з загнутими пелюстками 15, вихідні вікна 17, розташовані по іншу сторону вікна 2 для відведення газів принаймні охоплюють частину ротора 9 із плоскими пелюстками 14. На зовнішній циліндричній поверхні статора 1 опозитно вікну 3 для підведення паливоповітряної суміші виконане поглиблення 19 з розміщеним у ньому джерелом запалення суміші 20. Кожне з вхідних вікон 16 на внутрішній циліндричній поверхні статора 1, розташоване по одну сторону вікна 2 для відведення газів, що охоплює частину ротора 9 з загнутими пелюстками 15, сполучене з відповідним масообмінним каналом 18 за допомогою конфузора 21, а кожне вихідне вікно 17 на внутрішній циліндричній поверхні статора 1, розташоване по іншу сторону вікна 2 для відведення газів, що охоплює частину ротора 9 із плоскими пелюстками 14, сполучено з відповідним масообмінним каналом 18 за допомогою дифузора 22. Дисковий двигун каскадного обміну тиском працює наступним чином. При обертанні ротора 9 кожна з комірок 11, укладена між перегородками 10, наповнена попередньо стисненою паливоповітряною сумішшю і стискаючими газами, сполучається з поглибленням 19 статора 1, де в результаті подачі іскри джерелом запалення 20 формується фронт полум'я, що поширюється уздовж комірки у локальній області зосередження горючої суміші. У результаті вигоряння палива тиск і температура газів у комірці 11 підвищуються. У процесі подальшого обертання ротора 9 при сполученні розглянутої комірки 11 із вхідними вікнами 16 гарячі гази, обмиваючи загнуті пелюстки 15 перегородок 10 минають проходячи через конфузори 21 у масообмінні канали 19 під гострим кутом до вектора окружної швидкості, внаслідок чого створюється основний крутний момент двигуна. По мірі витікання газів у масообмінні канали 18 тиск у комірці 11 зменшується і у момент, що передує підключенню комірки 11 до вікна 2 для відведення газів, у ній зберігається деякий залишковий тиск, що перевищує атмосферний. При цьому в кожному масообмінному каналі 18 встановлюється свій надлишковий тиск із максимальним значенням у каналі 18, розташованим безпосередньо біля джерела запалення 20, і мінімальним - у каналі 18, розташованим безпосередньо у вікна 2 для відведення газів. Завдяки цьому перепад тисків у вихідному перетині 13 комірки 11 при її сполученні з кожним з масообмінних каналів 18 не перевищує надкритичного (надзвукового) рівня, що забезпечує зниження втрат затоплення реактивного струменя. При сполученні комірки 11 з вікном 2 для відведення газів гарячі гази з надлишковим тиском, обмиваючи пелюстки, проходять із вихідних перетинів 13 під гострим кутом у атмосферу, внаслідок чого створюється додатковий крутний момент реактивного витікання струменя. У 2 UA 96823 U 5 10 15 20 25 30 момент, коли тиск у комірці 11 наближається до атмосферного, остання своїм вхідним перетином 12 спочатку сполучається із сектором 7 вікна 3 для підведення паливоповітряної суміші. Атмосферне повітря під дією розрядження, створюваного відцентровими силами, через канал 8 надходить до комірки 11, заміщаючи відпрацьовані гази, які виходять через вікно 2 для відведення газів. Далі в процесі обертання ротора 9 комірка 11 сполучається із сектором 5, що супроводжується надходженням у комірку 11 горючої суміші через канал 6 для підведення горючої суміші. Завдяки поділу перегородкою 4 потоків свіжого заряду в процесі продування ротора 9 виключається виток горючого середовища через вікно 2 для відведення газів, оскільки заміщення відпрацьованих газів у комірці 11 здійснюється безпосередньо атмосферним повітрям, первинна порція якого виконує функції транзитного середовища. Після роз'єднання з вікнами 2 і 3 одна частина обсягу комірки 11 заповнена повітрям, інша, більша - горючою сумішшю. У процесі подальшого обертання ротора 9 розглянута комірка 11 своїм вихідним отвором 13 послідовно сполучається з вихідними вікнами 17 масообмінних каналів 18, що охоплюють частину ротора 9 із плоскими пелюстками 14, у результаті чого в неї надходять гази із суміжних відносно кожного з каналів 18 комірок, при цьому гази попередньо проходять через дифузори 22. Тиск і температура газів у комірці 11 підвищуються. Таким чином, попередній стиск свіжого заряду у комірках 11 здійснюється за рахунок енергії розширення газів у суміжних комірках 11 ротора 9 у процесі прямого каскадного масообміну робочих середовищ у індикаторному циклі двигуна. У момент, що передує сполученню комірки 11 з поглибленням 19 джерела запалення 20, більша частина її обсягу запевнена стискаючими газами, у той час як горюча суміш зосереджується у периферійній зоні комірки 11,3 боку розміщення джерела запалення 20. У процесі попереднього стиску робочого тіла горюча суміш у комірці 11 додатково підігрівається за рахунок контакту зі стискаючим середовищем і теплообміну з перегородками 10. Завдяки цьому, а також локалізації горючого середовища в зоні контакту із джерелом запалення 20 забезпечуються сприятливі умови для своєчасного вигоряння палива, у тому числі"- збідненого природного газу (метану). Протікання розглянутого циклу у всіх комірках 11 ротора 9 у своїй сукупності забезпечує безперервний робочий процес двигуна зі зняттям крутного моменту з ротора 9 через вал відбору потужності (на схемі не показаний). ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 45 50 Дисковий двигун каскадного обміну тиском, що містить статор, на зовнішній циліндричній поверхні якого розміщене вікно для підведення паливоповітряної суміші, а на внутрішній циліндричній поверхні - вікно для відведення газів, ротор, оснащений перегородками, що утворюють напорообмінні комірки з вихідними перетинами, розташованими на його внутрішній і зовнішній поверхні, частина кожної з перегородок з боку зовнішньої циліндричної поверхні ротора розділена на дві пелюстки, одна із яких лежить в одній площині з нижньою частиною перегородки, інша - загнута у напрямку, протилежному обертанню ротора, на внутрішній циліндричній поверхні статора по обидві сторони від вікна для відведення газів розміщений ряд вікон, попарно сполучених між собою масообмінними каналами, вікна, розташовані по одну сторону вікна для відведення газів, охоплюють частину ротора з загнутими пелюстками, вікна, розташовані по іншу сторону вікна для відведення газів принаймні охоплюють частину ротора із плоскими пелюстками, на зовнішній циліндричній поверхні статора опозитно вікну для підведення паливоповітряної суміші виконане поглиблення з розміщеним у ньому джерелом запалення суміші, який відрізняється тим, що кожне з вікон на внутрішній циліндричній поверхні статора, розташоване по одну сторону вікна для відведення газів, що охоплює частину ротора з загнутими пелюстками, сполучене з відповідним масообмінним каналом за допомогою конфузора, а кожне вікно на внутрішній циліндричній поверхні статора, розташоване по іншу сторону вікна для відведення газів, що охоплює частину ротора із плоскими пелюстками, сполучене з відповідним масообмінним каналом за допомогою дифузора. 3 UA 96823 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4