Дисковий двигун каскадного обміну тиском крайнюка

Реферат: У дисковому двигуні каскадного обміну тиском, який 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, частину кожної з перегородок з боку зовнішньої циліндричної поверхні ротора поділено на дві пелюстки, одна із яких лежить в одній площини 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 симетрично відносно вікна для відведення газів за UA 104798 C2 (12) UA 104798 C2 допомогою масообмінних каналів, 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. Вікно для підведення паливоповітряної суміші розділено перемичкою на два сектори, один із яких сполучений з каналом для підведення горючої суміші, інший сектор - з каналом для підведення повітря з атмосфери. UA 104798 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до області двигунобудування і може бути використаний для привода різних механізмів. Відомо двигун, що містить статор, внутрішня поверхня якого виконана по епітрохоїді, на якій розміщене вікно для підведення паливоповітряної суміші, та вікно для відведення газів, ротор, виконаний тригранним, який ексцентрично обертається усередині статора (див. Патент РФ 2161708, F02B53/00, опубл. 10.01.2001). Недоліками відомого двигуна є складність конструкції і обмежений ресурс у зв'язку з наявності зчленованих швидкозношуваних ущільнень, які розміщені на тригранному роторі. Крім того двигун має недостатньо високу питому потужність. За найближчий аналог вибрано 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, з S-подібними перегородками, що утворюють комірки з вихідними перетинами, розташованими на його внутрішній і зовнішній поверхнях. Наповнення комірок 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 (Piechna, J., Akbari, P., Iancu, F., Miller, N. "Radial-Flow Wave Rotor Concepts, Unconventional Designs and Applications" 2004 International Mechanical Engineering Conference, ASME Paper IMECE2004-59022, CA, Nov 2004.). В основі робочого процесу цього двигуна використовується принцип хвильового обміну тиском між свіжим зарядом і відпрацьованими газами. Основним недоліком відомого двигуна є невисокий ККД, обумовлений такими обмежувальними факторами робочого процесу: низьким ступенем попереднього стиску паливоповітряної суміші відбитою хвилею; значними втратами затоплення реактивних струменів внаслідок (високих) надкритичних перепадів тиску у реактивних соплах; недовикористанням радіальної складової швидкості реактивних струменів. Крім того відомий двигун зберігає працездатність лише у вузькому діапазоні швидкісних режимів роботи. Яскраво виражений хвильовий характер обмінних процесів визначає чутливість його видаткових характеристик до термодинамічних параметрів робочих середовищ і частоті обертання ротора. Відхилення режиму роботи двигуна від розрахункових умов приводить до руйнування настроєної картини взаємодії хвиль із газорозподільними вікнами і різким зниженням його ККД. Технічним результатом винаходу є підвищення ККД двигуна і розширення області його ефективної роботи шляхом підвищення попереднього стиску паливоповітряної суміші за рахунок рекуперативного використання енергії газів, що розширюються, у процесі каскадного масообміну між комірками, зниження втрат затоплення реактивних струменів, а також використання залишкової енергії реактивних струменів для додаткового стиску робочого середовища у комірках, що дозволить зменшити непродуктивний викид газодинамічної енергії потоку відпрацьованих газів до атмосфери. Поставлена задача вирішується тим, що у дисковому двигуні каскадного обміну тиском, який 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 поверхнях, відповідно до винаходу, частину кожної з перегородок з боку зовнішньої циліндричної поверхні ротора поділено на дві пелюстки, ода із яких лежить в одній площини 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 симетрично відносно вікна для відведення газів за допомогою масообмінних каналів, 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. Вікно для підведення паливоповітряної суміші поділено перемичкою на два сектори, один із яких сполучений з каналом для підведення горючої суміші, інший сектор - з каналом для підведення повітря з атмосфери. Розміщення на внутрішній циліндричній поверхні статора по обидві сторони від вікна для відведення газів ряду вікон, попарно сполучених між собою симетрично відносно вікна для відведення газів за допомогою масообмінних каналів дозволить реалізувати попереднє стискування паливоповітряної суміші за рахунок рекуперативного використання енергії газів, що розширюються, у процесі каскадного масообміну між комірками ділянок розширення і стиску, що 1 UA 104798 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 забезпечить підвищення термічного ККД робочого циклу. Крім того, зазначене розміщення вікон забезпечить значне зменшення перепаду тисків у соплах реактивних струменів до підкритичного рівня, завдяки чому знижуються втрати затоплення реактивних струменів, підвищується потужність і економічність двигуна. Виконання частини кожної з перегородок з боку зовнішньої циліндричної поверхні ротора, поділеної на дві пелюстки, одна із яких лежить в одній площині з нижньою частиною перегородки, а інша - загнута у напрямку, протилежному обертанню ротора, дозволить знизити гідравлічний опір руху робочих середовищ у комірках ротора і масообмінних каналах статора, що сприятиме посиленню масообмінних процесів робочого циклу і поліпшенню наповнення ротора паливоповітряною сумішшю. Відзначене забезпечить додаткове підвищення ККД і розширення області ефективної роботи двигуна. Охоплення вікнами, розташованими по одну сторону вікна для підведення паливоповітряної суміші, частини ротора з загнутими пелюстками, а вікнами, розташованими по іншу сторону вікна для підведення паливоповітряної суміші, принаймні частини ротора із плоскими пелюстками дозволить корисно використовувати залишкову енергію реактивного струменя для додаткового підвищення тиску попереднього стиску робочого середовища у комірках ротора і, отже, збільшить ККД двигуна. Відзначені вище відмітні ознаки забезпечують зменшення непродуктивного викиду газодинамічної енергії потоку відпрацьованих газів у атмосферу, оскільки значна частина цієї енергії буде корисно використана на стиск паливоповітряної суміші. Зниження втрат теплової і потенційної енергії потоку, в остаточному підсумку, сприяє підвищенню ККД двигуна. Крім того, відзначені ознаки забезпечують розширення діапазону ефективної роботи двигуна за рахунок організації каскадного стиску робочих середовищ і виключення хвиль збурювання великої інтенсивності у обмінних процесах робочого циклу двигуна. Виконання на зовнішній циліндричній поверхні статора опозитно вікну для підведення паливоповітряної суміші поглиблення з розміщеним у ньому джерелом запалення суміші забезпечить надійний підпал паливоповітряної суміші у період, коли тиск попереднього стиску середовища досягне свого максимального значення. Завдяки цьому реалізується ефективний термодинамічний цикл двигуна з максимально можливим ступенем стиску. Крім того, таке розміщення джерела запалення забезпечить інтенсивне вигоряння палива завдяки формуванню фронту полум'я у області з найбільшою концентрацією горючої суміші. Поділ перемичкою вікна для підведення паливоповітряної суміші на два сектори, один із яких сполучений з каналом для підведення горючої суміші, а інший сектор - з каналом для підведення повітря з атмосфери дозволить виключити витікання горючої суміші у процесі очищення комірок від відпрацьованих газів за рахунок використання атмосферного повітря як транзитної порції продувного середовища. Суть винаходу пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 представлена принципова схема дискового двигуна, на фіг. 2 - ротор, на фіг. 3, 4 - загальні види двигуна, на фіг. 5 - вікна масообмінних каналів і їхнє сполучення з ротором, на фіг.6 - вікно для відведення газів. Дисковий двигун каскадного обміну тиском Крайнюка 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, яке поділене перегородкою 4 на сектор 5, сполучений з каналом 6 для підведення горючої суміші, і сектор 7, сполучений з каналом 8 для підведення повітря з атмосфери, ротор 9 з валом 10 (фіг. 1, 3, 4, 6) відбору потужності, оснащений перегородками 11 (фіг. 1, 2), що утворюють напорообмінні комірки 12 із вхідними 13 і вихідними 14 перетинами, відповідно розташованими на його внутрішній і зовнішній поверхні. Частину кожної з перегородок 11 з боку зовнішньої циліндричної поверхні ротора 9 поділено на дві пелюстки, перша 15 лежить в одній площині з нижньою частиною перегородки 11, інша - 16 загнута у напрямку, протилежному обертанню ротора 9 (фіг. 1, 2). На внутрішній циліндричній поверхні статора 1 по обидві сторони від вікна 2 для відведення газів розміщені ряд вхідних 17 і вихідних 18 вікон (фіг. 1, 5), попарно сполучених між собою симетрично відносно вікна 2 для відведення газів за допомогою масообмінних каналів 19, вікна 17, розташовані по одну сторону вікна 2 для відведення газів, охоплюють частину ротора 9 з вигнутими пелюстками 16, вікна 18, розташовані по іншу сторону вікна 2 для відведення газів, принаймні охоплюють частину ротора 9 із плоскими пелюстками 15. На зовнішній циліндричній поверхні статора 1 опозитно вікну 3 для підведення паливоповітряної суміші виконане поглиблення 20 з розміщеним у ньому джерелом запалення суміші 21 (фіг. 1). Дисковий двигун каскадного обміну тиском Крайнюка працює наступним чином. При обертанні ротора 9 кожна з напорообмінних комірок 12, укладена між перегородками 11, наповнена попередньо стисненою паливоповітряною сумішшю і стискаючими газами, 2 UA 104798 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 сполучається з поглибленням 20 статора 1, де в результаті подачі іскри джерелом запалення 21 формується фронт полум'я, що поширюється уздовж комірки 12, у локальній області зосередження горючої суміші. У результаті вигоряння палива тиск і температура газів у комірці 12 підвищуються. У процесі подальшого обертання ротора 9 при сполученні розглянутої комірки 12 із вхідними вікнами 17 гарячі гази, обмиваючи загнуті пелюстки 16 перегородок 11, минають масообмінні канали 19 під гострим кутом до вектора окружної швидкості, внаслідок чого створюється основний крутний момент двигуна. По мірі витікання газів у масообмінні канали 19 тиск у комірці 12 зменшується, і у момент, що передує підключенню комірки 12 до вікна 2 для відведення газів, у ній зберігається деякий залишковий тиск, що перевищує атмосферний. При цьому у кожному масообмінному каналі 19 встановлюється свій надлишковий тиск із максимальним значенням у каналі 19, розташованим безпосередньо біля джерела запалення 21, і мінімальним - у каналі, розташованим безпосередньо біля вікна 2 для відведення газів. Завдяки цьому перепад тисків у вихідному перетині 14 комірки 12 при її сполученні з кожним з масообмінних каналів 19 не перевищує надкритичного (надзвукового) рівня, що забезпечує зниження втрат затоплення реактивного струменя і, в остаточному підсумку, підвищення ККД двигуна. При сполученні комірки 12 з вікном 2 для відведення газів гарячі гази з надлишковим тиском, обмиваючи пелюстки 16, проходять із вихідних отворів 14 під гострим кутом до атмосфери, внаслідок чого створюється додатковий крутний момент реактивного витікання струменя. У момент, коли тиск у комірці 12 наближається до атмосферного, остання своїм вхідним отвором 13 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 12, заміщаючи відпрацьовані гази, які виходять через вікно 2 для відведення газів. Далі у процесі обертання ротора 9 комірка 12 сполучається із сектором 5, що супроводжується надходженням у комірку 12 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 крізь вікно 2 для відведення газів, оскільки заміщення відпрацьованих газів у комірці 12 здійснюється безпосередньо атмосферним повітрям, первинна порція якого виконує функції транзитного середовища. Після роз'єднання з вікнами 2 і 3 одна частина обсягу комірки 12 заповнена повітрям, інша, більша, - горючою сумішшю. У процесі подальшого обертання ротора 9 розглянута комірка 12 своїм вихідним отвором 14 послідовно сполучається з вихідними вікнами 18 масообмінних каналів 19, що охоплюють частину ротора 9 із плоскими пелюстками 15, у результаті чого в неї надходять гази із суміжних відносно кожного з каналів 19 комірок. Тиск і температура газів у комірці 12 підвищуються. Таким чином, попередній стиск свіжого заряду у комірках здійснюється за рахунок енергії розширення газів у суміжних комірках 12 ротора 9 у процесі прямого каскадного масообміну робочих середовищ у індикаторному циклі двигуна. У момент, що передує сполученню комірки 12 з поглибленням 20 джерела запалення 21, більша частина її обсягу заповнена стискаючими газами, у той час як горюча суміш зосереджується у периферійній зоні комірки 12, з боку розміщення джерела запалення 21. У процесі попереднього стиску робочого тіла горюча суміш у комірці 12 додатково підігрівається за рахунок контакту зі стискаючим середовищем і теплообміну з перегородками 11. Завдяки цьому, а також локалізації горючого середовища у зоні контакту із джерелом запалення 21 забезпечуються сприятливі умови для своєчасного вигоряння палива, у тому числі - збідненого природного газу (метану). Протікання розглянутого циклу у всіх комірках 12 ротора 9 у своїй сукупності забезпечить безперервний робочий процес двигуна з передачею крутного момента до вала 10 відбору потужності. Отже, заявлене підвищення ККД і розширення області ефективної роботи двигуна забезпечується завдяки наступним факторам. Основний стиск свіжого заряду здійснюється за рахунок рекуперативного використання енергії газів, що розширюються, у процесі каскадного масообміну між суміжними комірками ділянок стиску і розширення. Даний процес забезпечить можливість істотного підвищення ступеня попереднього стиску заряду у широкій області експлуатаційних режимів, що сприятиме збільшенню термічного ККД циклу. У двигуні на базі каскадного обмінника тиску витікання більшої частини реактивних струменів здійснюється не до атмосфери, а до масообмінних каналів статора. Зниження перепадів тисків у реактивних соплах до підкритичного рівня супроводжується зменшенням втрат затоплення струменя. При цьому залишкова енергія реактивного струменя, не перетворена у роботу крутного моменту, не губиться цілком, оскільки корисно використовується 3 UA 104798 C2 у вигляді потокової субстанції у масообмінних каналах, сприяючи додатковому підвищенню попереднього стиску заряду без збільшення кількості підведеної теплоти. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 1. 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 та джерело запалення суміші, який відрізняється тим, що 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 симетрично відносно вікна для відведення газів за допомогою масообмінних каналів, 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. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що на зовнішній циліндричній поверхні статора опозитно вікну для підведення паливоповітряної суміші виконане поглиблення з розміщеним у ньому джерелом запалення суміші. 3. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що вікно для підведення паливоповітряної суміші розділено перемичкою на два сектори, один із яких сполучений з каналом для підведення горючої суміші, інший сектор - з каналом для підведення повітря з атмосфери. 4 UA 104798 C2 5 UA 104798 C2 6 UA 104798 C2 Комп’ютерна верстка М. Ломалова 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 7