Американские военно-воздушные силы финансируют разработку беспоршневого двигателя внутреннего сгорания, которым планируется оснащать беспилотные летательные аппараты. Двигатели такого типа обладают высочайшей удельной мощностью и крутящим моментом при суперкомпактных размерах и весе. Инженеры-мотористы называют их двигателями с качающимся диском.
Принцип его работы и конструкция имеют сходство с роторным двигателем Ванкеля. Но это только внешнее сходство. Основным элементом мотора является диск особой криволинейной формы, установленный на Z-образном коленчатом вале. При вращении вала благодаря особой форме диска внутри корпуса двигателя попеременно открываются так называемые карманы, представляющие собой камеры сгорания. Их два. Топливовоздушная смесь впрыскивается в карманы, сжимается и затем происходит её возгорание от свечи зажигания. Расширение газов толкает диск, обеспечивая его вращение. Угловая доля рабочего такта в полном обороте вала — 270 градусов.
Эффективность двигателей с качающимся диском поражает воображение. При равных весе и геометрических размерах они вдвое превосходят по мощности двухтактные моторы и вчетверо — классические четырехтактные. Кроме того, они крайне неприхотливы к типу топлива и пожирают буквально всё, что горит — бензин, дизтопливо, мазут, природный газ и водород.
Разработку двигателей с качающимся диском ведет консорциум частных технологических компаний Kinetic Research & Development и Baker Engineering. Цель, которую поставили военные перед исследователями, предусматривает создание двигателя мощностью 77 л.с. и весом не более 16,3 килограммов. По словам президента компании Kinetic Research & Development Майкла Боруты, частично цель уже выполнена — действующий бензиновый прототип, сделанный из стали, по весу соответствует техническому заданию. Цель по мощности также не представляется недостижимой. По — крайней мере, расчеты доказывают, что для заданного объема можно добиться отдачи более сотни лошадок!
Сейчас коллектив разработчиков начал работы по созданию второго поколения двигателя с качающимся диском, который будет сделан целиком из алюминиевого сплава. Его мощность составит 103 л.с.
Основными преимуществами ДВС с качающимся диском над традиционными ДВС, по мнению Майкла Боруты, являются следующие:
1. два рабочих такта на каждый полный оборот коленвала
2. идеальная сбалансированность
3. малое количество вращающихся элементов, низкие потери на трение и долговечность
4. возможность работы на очень высоких оборотах без перегрева
5. измененяемая степень сжатия
6. для повышения удельной мощности объем кармана в фазе впрыска может быть уменьшен по отношению к объему в фазе расширения газов
7. объем кармана в фазе сжатия может быть увеличен для создания эффекта турбонаддува
8. возможность использования внешней предварительной камеры сгорания может радикально снизить эмиссию углекислоты
9. возможность использования внешней предварительной камеры сгорания позволит применять для питания мотора различные виды топлива
10. двухдисковый дизайн мотора способен резко увеличить его удельную мощность и крутящий момент
По сообщению FightGlobal
Южноамериканский беспилотный самолет-разведчик Predator в перспективе будет оснащаться новым дисковым движком
Принцип его работы и конструкция имеют сходство с роторным движком Ванкеля. Но это только наружное сходство. Главным элементом мотора является диск особенной криволинейной формы, установленный на Z-образном коленчатом вале. При вращении вала благодаря особенной форме диска снутри корпуса мотора попеременно открываются так именуемые кармашки, представляющие из себя камеры сгорания.
Их два. Топливовоздушная смесь впрыскивается в кармашки, сжимается и потом происходит её возгорание от свечки зажигания. Расширение газов толкает диск, обеспечивая его вращение. Угловая толика рабочего такта в полном обороте вала – 270 градусов.
Эффективность движков с качающимся диском поражает воображение. При равных весе и геометрических размерах они в два раза превосходят по мощности двухтактные моторы и в четыре раза – традиционные четырехтактные. Не считая того, они очень нетребовательны к типу горючего и пожирают практически всё, что пылает – бензин, дизтопливо, мазут, природный газ и водород.
Разработку движков с качающимся диском ведет консорциум личных технологических компаний Kinetic Research & Development и Baker Engineering. Цель, которую поставили военные перед исследователями, предугадывает создание мотора мощностью 77 л.с. и весом менее 16,3 кг. По словам президента компании Kinetic Research & Development Майкла Боруты, отчасти цель уже выполнена – действующий бензиновый макет, изготовленный из стали,по весу соответствует техническому заданию. Цель по мощности также не представляется недосягаемой. По – последней мере, расчеты обосновывают, что для данного объема можно достигнуть отдачи более сотки лошадей!
На данный момент коллектив разработчиков начал работы по созданию второго поколения мотора с качающимся диском, который будет изготовлен полностью из дюралевого сплава. Его мощность составит 103 л.с.
Основными преимуществами ДВС с качающимся диском над классическими ДВС, по воззрению Майкла Боруты, являются последующие:
1. два рабочих такта на каждый полный оборот коленвала
2. безупречная сбалансированность
3. маленькое количество крутящихся частей, низкие утраты на трение и долговечность
4. возможность работы на очень больших оборотах без перегрева
5. измененяемая степень сжатия
6. для увеличения удельной мощности объем кармашка в фазе впрыска может быть уменьшен по отношению к объему в фазе расширения газов
7. объем кармашка в фазе сжатия может быть увеличен для сотворения эффекта турбонаддува
8. возможность использования наружной подготовительной камеры сгорания может конструктивно понизить эмиссию углекислоты
9. возможность использования наружной подготовительной камеры сгорания позволит использовать для питания мотора разные виды горючего
10. двухдисковый дизайн мотора способен резко прирастить его удельную мощность и вращающий момент
Интересные материалы:
Беспрецедентная наногонка началась Китайцы изобрели беспилотную летающую тарелку с пропеллеромnlo-mir.ru
| Раздел: | Техника | ||||||||
| Подраздел: | Машиностроение | ||||||||
| Предлагаемое решение: | ДВИГАТЕЛЬ ЗУЕВА | ||||||||
| Правовая защита: |
| ||||||||
| Начальная цена: | Договорная (руб.) |
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторным двигателям внутреннего сгорания.Предшествующий уровень техникиИзвестен двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, ротор постоянной скорости вращения, снабженный цилиндрами с основными рабочими камерами и крышками, установленный соосно с ним ротор переменной скорости вращения, снабженный поршнями, причем цилиндры и поршни выполнены в виде участков тора, газораспределительное зеркало, снабженное расположенными по окружности впускным и выпускным каналами, и механизм периодического изменения скорости вращения одного из роторов (FR 2211044). Однако известный двигатель характеризуется недостаточной организацией процесса газообмена, обусловленной тем, что в то время, когда поверхности цилиндров не перекрывают впускной канал газораспределительного зеркала, рабочая смесь имеет возможность поступать в полости корпуса, что приводит к ее повышенному расходу.Наиболее близким техническим решением является двигатель внутреннего сгорания по авторскому свидетельству SU 1278475, содержащий корпус, ротор постоянной скорости вращения, снабженный цилиндрами с основными рабочими камерами и крышками, установленный соосно с ним ротор переменной скорости вращения, снабженный поршнями, при чем цилиндры и поршни выполнены в виде участков тора, газораспределительное зеркало, снабженное расположенными по окружности впускным и выпускным каналами, и механизм периодического изменения скорости вращения одного из роторов, при этом ротор постоянной скорости вращения выполнен в виде диска с окнами газообмена, снабженными уплотнительными элементами, а крышки цилиндров выполнены за одно целое с диском, который контактирует с поверхностью газораспределительного зеркала с возможностью полного перекрытия его впускного и выпускного каналов. Крышка каждого цилиндра снабжена дополнительной рабочей камерой, которая смещена относительно основной рабочей камеры в сторону диска. Основным недостатком данной конструкции является то, что механизм периодического изменения скорости вращения одного из роторов, состоящий из зубчатых колес, напрямую воспринимает силу от давления газов в цилиндре двигателя. Поскольку эта сила возрастает пропорционально квадрату диаметра поршня, а контакт в зубчатой передаче происходит по линии пропорционально ширине зубчатых колес, это приводит к ограничению возможности создания двигателя мощностью более нескольких киловатт. Кроме этого, в связи с невозможностью уменьшения диаметра расположения газоходных каналов на диске и газораспределительном зеркале, скорость трения диска по газораспределительному зеркалу в несколько раз превышает среднюю скорость трения поршня о цилиндр, а поскольку максимально допустимая скорость трения скольжения ограничена 15-20 м/с, то скорость трения диска о газораспределительное зеркало лимитирует максимально допустимые обороты двигателя.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является исключение механизма периодического изменения скорости вращения одного из роторов, а также приближение средней скорости трения поршня о цилиндр к скорости трения диска о газораспределительное зеркало и к максимально допустимой.Указанная задача решена в двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус, жестко связанное с ним газораспределительное зеркало, снабженное расположенными по окружности не менее чем одним впускным и не менее чем одним выпускным каналами, ротор, выполненный в виде диска с окнами газообмена, контактирующий с поверхностью газораспределительного зеркала с возможностью перекрытия его впускных и выпускных каналов, цилиндры, жестко связанные с ротором через крышки, и поршни с пальцами и шатунами. Согласно изобретению в роторе соосно ему установлен коленчатый вал, а цилиндры расположены по существу радиально, при этом коленчатый вал, ротор и корпус связаны между собой зубчатой передачей. Это позволяет приблизить скорость трения ротора по газораспределительному зеркалу к средней скорости трения поршня по цилиндру в трех- и пятицилиндровом двигателе и сравнять эти скорости, начиная с семицилиндрового двигателя, что сокращает габариты и массу двигателя на единицу мощности. Установка коленчатого вала в роторе позволяет замкнуть осевую силу, возникающую от давления газов в камере сгорания, через коренные шейки коленчатого вала на ротор, а через планетарный редуктор передается лишь выходной момент двигателя.Предпочтительно зубчатая передача выполнена планетарной, что обеспечивает простоту и компактность конструкции.При этом центральные колеса планетарной передачи жестко связаны, соответственно, с коленчатым валом и корпусом, а сателлиты установлены на роторе, причем форсунки расположены равномерно по окружности, а центральное колесо, жестко связанное с корпусом, может быть выполнено как с внутренним зацеплением, так и с внешним. В первом случае число цилиндров N, форсунок n и передаточное отношение i между коленчатым валом и ротором связаны между собой соотношением N = i = 2n+1 для четырехтактного двигателя или N = i = n+1 для двухтактного двигателя. Во втором случае число цилиндров N, форсунок n и передаточное отношение i между коленчатым валом и ротором связаны между собой соотношением N = – i = 2n – 1 для четырехтактного двигателя или N = – i = n – 1 для двухтактного двигателя. Такое конструктивное решение позволяет обеспечить рабочий цикл двигателя, то есть совпадение каждой верхней мертвой точки поршня каждого цилиндра с каждой форсункой, а для четырехтактного двигателя и с перемычкой между выпускными и впускными каналами газообмена.Предпочтительно на диске ротора со стороны газораспределительного зеркала выполнена кольцевая канавка, сообщенная по жидкой среде с каналом подвода охлаждающей жидкости от насоса, а противоположная сторона диска ротора совместно с закрепленным на газораспределительном зеркале кольцом и связанным с ним кольцом и диафрагмой образуют камеру, также сообщенную по жидкой среде с каналом подвода охлаждающей жидкости от насоса, причем площадь указанной кольцевой канавки меньше или равна площади противоположной стороны диска ротора, образующей вышеупомянутую камеру. Это позволяет уменьшить усилие прижима ротора к поверхности газораспределительного зеркала после начала прокачки охлаждающей жидкости через вышеупомянутую камеру, поскольку охлаждающая жидкость, деформируя диафрагму и поднимая подвижное кольцо, дросселируется в зазор между ротором и торцом подвижного кольца, исключая усилие прижатия диафрагмой подвижного кольца к ротору, а давление охлаждающей жидкости в кольцевой проточке, выполненной на роторе, компенсирует давление охлаждающей жидкости на противоположную сторону диска ротора, входящую в вышеупомянутую камеру. При этом можно использовать тарельчатые пружины, прижимающие ротор к газораспределительному зеркалу с грузовой характеристикой, меньшей, чем сила отталкивания ротора от газораспределительного зеркала, возникающая при максимальном давлении газов в камере сгорания, уменьшив потери на трение.Цилиндры в роторе могут быть смещены параллельно своей оси в сторону вращения ротора, что позволяет уменьшить максимальную силу прижатия поршня к цилиндру во время рабочего хода, сравняв ее с силой прижатия поршня к стенкам цилиндра в такте сжатия с учетом действия на поршень кориолисовых сил.Предпочтительно шатунная шейка коленчатого вала установлена на штифтах и притянута к его щечкам винтами, а шатуны выполнены цельными и установлены на роликах, повышая технологичность изготовления и сборки двигателя и уменьшая потери на трение.Ротор установлен в корпусе на шарикоподшипнике, удаленном от газораспределительного зеркала на 0,3 – 0,4 диаметра диска ротора, снижая требование к перпендикулярности установки газораспределительного зеркала к оси корпуса и перпендикулярности трущейся поверхности ротора к его оси при изготовлении ротора. Ограничение высоты ротора обеспечивает его самоустановку.Предпочтительно диск ротора выполнен за одно целое с крышками цилиндров и перемычками между ними, образующих внешнюю цилиндрическую поверхность, на которую с натягом установлена крышка ротора, образуя каналы для прохода охлаждающей жидкости вокруг камер сгорания к мокрым гильзам. Это позволяет повысить технологичность изготовления ротора и крышки за счет возможности их литья в кокиль.Газораспределительное зеркало выполнено преимущественно из керамики, что снижает потери на трение ротора о газораспределительное зеркало и увеличивает ресурс работы двигателя.Особенности и преимущества изобретения будут более понятны из описания преимущественных вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.Краткое описание чертежейНа фиг. 1 изображен главный вид двигателя в разрезе по одному из цилиндров и насос-форсунке;на фиг. 2 – поперечный разрез двигателя по цилиндрам;на фиг. 3 – разрез двигателя по впускному и выпускному каналам;на фиг. 4 – поперечный разрез двигателя по планетарной зубчатой передаче;на фиг. 5 – поперечный разрез двигателя по насос-форсунке и ограничителю оборотов коленчатого вала;на фиг. 6 – поперечный разрез двигателя по масляному насосу;на фиг.7 – вариант выполнения планетарной передачи при встречном вращении ротора и коленчатого вала с двумя выходными валами;на фиг.8 – вариант выполнения газоходного канала с компрессионным кольцом.Варианты осуществления изобретенияКак показано на фиг. 1, в корпусе 1 с крышкой 2, выполненных из алюминиевого сплава методом литья в кокиль, установлено газораспределительное зеркало 3, закрепленное винтами 4, и ротор 5, прижатый тарельчатой пружиной 6 к газораспределительному зеркалу 3. Ротор 5 представляет собой диск с выполненными за одно целое с ним крышками 7 цилиндров, в которых выполнены камеры сгорания 8, газоходные каналы 9 и полости 10 для прохода охлаждающей жидкости к мокрым гильзам 11, установленным в свою очередь в обоймах 12 (фиг. 2), притянутых к крышкам 7 цилиндров винтами 13 (фиг. 1) на штифтах 14 (фиг. 2). Верхняя часть ротора 5 (фиг. 1), установлена в шарикоподшипнике 15, допускающим незначительный поворот оси ротора 5, обеспечивающий прилегание диска ротора 5 к газораспределительному зеркалу 3, и представляет собой крышку 16, напрессованную на крышки 7 цилиндров с перемычками 18, и притянутую к ним винтами 17 (фиг. 3). Диск ротора 5 (фиг.1) выполнен за одно целое с крышками 7 цилиндров и перемычками 18 между ними, образующих внешнюю цилиндрическую поверхность, на которую с натягом установлена крышка 16 ротора , образуя каналы 10 для прохода охлаждающей жидкости вокруг камер сгорания 8 к мокрым гильзам 11. Полости 10 отверстиями 19 в крышках 7 и пазами 20 в мокрых гильзах 11 связаны с их рубашками охлаждения. В роторе 5 соосно ему на подшипниках 21 и 22 установлен коленчатый вал, состоящий из коренных шеек 23, 24 со щечками 25, 26 и шатунной шейки 27, прикрепленной к щечкам 25 и 26 штифтами 28 и шестью винтами 29 (фиг. 4). Подшипник 21 (фиг. 1) и стопорные кольца 30 удерживают коленчатый вал от осевого смещения. На шатунной шейке 27 (фиг. 2) коленчатого вала на роликах 31 установлены шатуны 32, связанные через игольчатые подшипники 33 и пальцы 34 с поршнями 35. В пазах 36 (фиг. 4), выполненных в роторе 5 на осях 37 и подшипниках 38 установлены сателлиты 39, связанные с центральным колесом 40, установленным на коренной шейке 24 коленчатого вала и удерживаемым от проворота одним из штифтов 28, а также со вторым центральным колесом с зубчатым венцом 41, выполненным на газораспределительном зеркале 3. На газораспределительном зеркале 3 выполнены впускные каналы 42 и выпускные каналы 43, имеющие возможность при вращении ротора 5 поочередно соединять камеры сгорания 8 (фиг. 1) через газоходные каналы 9 с впускными каналами 44 (фиг. 3) и выпускными каналами 45.В расточках корпуса 1 (фиг. 1) установлены насос-форсунки 46, иглы 47 которых через чашки 48 пружинами 49 прижаты к запорным конусам распылителей, перекрывая подачу топлива через распыливающие отверстия 50. В сжатом состоянии пружина 49 удерживается втулкой 51 со штуцером 52, служащим для присоединения топливопровода от топливоподкачивающего насоса (не показан). В корпусе насос-форсунки 46 установлен плунжер 53 (фиг. 5), поворот которого с помощью червячного колеса 54 с червяком 55 регулирует величину подачи топлива в камеру сгорания 8 (фиг. 1), для чего на плунжере 53 выполнена винтовая канавка, а в отверстии под плунжер 53 – впускной канал 56 для прохода топлива в надплунжерную полость и сливной канал 57. Для уплотнения топливной системы на плунжере выполнена канавка, в которой располагается резиновое кольцо 58 (фиг. 5). Возвратно-поступательное движение плунжера 53 обеспечивается сцепленным с ним ползунком 59, подпружиненным пружиной 60 и упирающимся через ролик 61, установленный на оси 62, в диск 63 (фиг. 1), на котором выполнен кулачок 64 (фиг. 5). В случае попадания воздуха в систему топливоподачи для его стравливания в корпусе насос-форсунки 46 установлен винт 65. Для ограничения максимальных оборотов двигателя между диском 63 (фиг. 1) и диском 66, стянутых винтами 67 (фиг. 5), расположены грузы 68, подпружиненные к центру пружинами 69. От заклинивания грузов 68 на штифтах 70 установлены распорные элементы 71, а по центру распорный элемент 72 (фиг. 1), выполненный в виде втулки с уплотнительным кольцом 73. Одновременное перемещение грузов 68 (фиг. 5) обеспечивается за счет выполненных на каждом грузе выступа 74 и паза 75.Для перекачки смазывающе-охлаждающей жидкости на выступе диска 66 (фиг. 1) расположен роликовый насос, стянутый винтами 76 (фиг. 6) на штифтах 77, который состоит из корпуса 78, притянутого винтами 79 (фиг.1) к корпусу 1, звездочки 80 (фиг.6) с роликами 81 и крышкой 82 (фиг. 1). Насос пазами 83, 84 (фиг. 6), выполненными в корпусе 1, связан с полостью корпуса 1, а через канал 85 связан с радиатором. Одновременно через паз 86, отверстия 87 (фиг. 3), центральный канал в диске 66 (фиг. 1), каналы 88 и 89 насос связан с полостью, в которой расположены ролики 31 (фиг. 2). Смазывающе-охлаждающая жидкость из радиатора через каналы 90, 91, 92, 93 и паз 94, выполненный в неподвижном кольце 95 (фиг. 3) гидроприжима ротора 5, поступает в полость 96. Полость 96 пазами 97 связана с кольцевой проточкой 98, выполненной на торце ротора 5. В случае повышения давления в полости 96 подвижное кольцо 99, изгибая пружинную диафрагму 100, имеет возможность соединять полость 96 с кольцевой проточкой 101, выполненной на роторе 5, которая через отверстия 102 (фиг. 2) связана с камерой 10. Вытеканию масла в зазор между подвижным кольцом 99 (фиг. 3) и ротором 5 препятствует разрезное пружинное кольцо 103. Отработанное масло стекает в картер 104.При изготовлении центрального колеса 40 (фиг. 4) один из его зубьев выполняется строго против отверстия под штифт 28, расположенный в плоскости шатунной шейки 27 (фиг. 1) коленчатого вала, а при изготовлении газораспределительного зеркала 3 один из его зубьев выполняется строго против отверстия под форсунку 46 при четном количестве зубьев на сателлите, а при нечетном – против отверстия под форсунку выполняется впадина. В промежуточной сборке ротора 5 с газораспределительным зеркалом 3 эти зубья вставляются в строго противоположные впадины сателлита 39 (фиг. 4), имеющего четное количество зубьев, либо во впадину и противоположный зуб при нечетном количестве зубьев. Это положение фиксируется двенадцатью короткими винтами 4 (фиг. 1), ввинчиваемых в газораспределительное зеркало 3, при этом поршень 35 (фиг.2) одного из цилиндров, находящийся в верхней мертвой точке, располагается строго напротив одной из форсунок. При этом передаточное отношение планетарной зубчатой передачи i, выбрано из соотношения i = 2n+1 для рассматриваемого четырехтактного двигателя, в котором ротор 5 (фиг.1) вращается в сторону вращения коленчатого вала. В этом случае все верхние мертвые точки кривошипно-шатунного механизма совпадают либо с местом расположения форсунок 46 на газораспределительном зеркале 3, либо с перемычками между выпускными 43 (фиг. 4) и впускными 42 каналами. Вентиляция корпуса 1 (фиг. 3) в двигателе обеспечивается за счет соединения его полости через закрытые крышкой 108 сетки 105, расположенные во втулке 106 и в проставке 107, канал 110, зазор 111, образованный ребрами, выполненными на корпусе 1, и кожухом (не показан) двигателя, с впускным каналом 44. Крышка 108, проставка 107 и втулка 106 закреплены на корпусе 1 винтами 109. Привод диска 63 осуществляется через крестообразную муфту 112, допускающую незначительное смещение их осей.На фиг. 7 изображен вариант выполнения двигателя с вращением ротора 5 навстречу коленчатому валу, причем планетарная зубчатая передача расположена в верхней части ротора 5, и мощность снимается не только с коленчатого вала, но и с выступающей части крышки 16 ротора 5, имеющего меньшие обороты, но больший крутящий момент. В этом случае планетарная зубчатая передача состоит также из центрального колеса 40, блока 113 сателлитов установленного в пазах крышки 16 ротора 5 на осях 37 в подшипниках 38, и второго центрального колеса 114 с внешним зубчатым зацеплением, установленного соосно центральному колесу 40 и закрепленного винтами 115 и штифтами 116 на крышке 2 корпуса 1.Диски 63 (фиг. 3) и 66 стянуты винтами 67 (фиг. 5) и установлены в подшипниках 117 (фиг. 3) и 118.Двигатель согласно настоящему изобретению может работать как по дизельному циклу при степени сжатия более четырнадцати, как в рассмотренном выше варианте, так и с принудительным воспламенением топливно-воздушной смеси. При этом вместо форсунок на газораспределительном зеркале 3 (фиг. 1) необходимо установить свечи зажигания, а топливо впрыскивать во впускные каналы 42 (фиг. 4) газораспределительного зеркала 3, например, с помощью электроуправляемых форсунок. В случае непосредственного впрыска топлива свечи зажигания устанавливаются рядом с форсунками.Для снижения требований к отклонению от плоскостности рабочей поверхности газораспределительного зеркала 3 (фиг. 8) и контактирующего с ним торца ротора 5 в расточке газоходного канала 9 может быть расположено разрезное компрессионное кольцо 119, верхняя часть которого представляет собой прорезную пружину, деформация которой при сборке обеспечивает прижатие рабочего торца компрессионного кольца 119 к поверхности газораспределительного зеркала 3. Для сохранения упругих свойств при высокой температуре компрессионное кольцо 119 выполнено, например, из корундовой керамики.Двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.Коленчатый вал, вращаясь вместе с центральным колесом 40 (фиг. 4) через сателлиты 39, установленные в роторе 5 и связанные также с зубчатым венцом 41 второго центрального колеса, приводит во вращение ротор 5. При этом в одном из цилиндров, газоходный канал 9 которого находится на уровне перемычки между выпускным 43 и впускным 42 каналами, поршень 35 (фиг.2) находится в верхней мертвой точке, то есть начинается процесс всасывания воздуха. При повороте ротора 5 (фиг. 4) в рассматриваемом пятицилиндровом двигателе на 45°, коленчатый вал повернется на угол 45° × i = 225°, то есть коленчатый вал повернется относительно ротора 5 на угол 180° и придет в нижнюю мертвую точку. При этом газоходный канал 9 окажется перекрытым газораспределительным зеркалом 3. В следующие 45° поворота ротора 5 происходит такт сжатия, поскольку коленчатый вал за это время повернется еще на 225°, перейдя в верхнюю мертвую точку. При этом за несколько градусов до нее кулачок 64 (фиг. 5) через ролик 61 начнет перемещать ползун 59 с плунжером 53, перекрывая впускной канал 56 (фиг. 1). Дальнейшее движение плунжера 53 создает давление в полости иглы 47, воздействуя на ее дифференциальную площадку, и перемещает эту иглу 47, сжимая пружину 49. При этом топливо через распыливающие отверстия 50 и газоходный канал 9 под высоким давлением впрыскивается в камеру сгорания 8 до тех пор, пока винтовая канавка, выполненная на плунжере 53, не откроет нижнюю кромку впускного канала 56. Положение винтовой канавки на плунжере 53, которым управляет червяк 55 (фиг. 5) через червячное колесо 54 с некруглым отверстием, удерживающим от проворота плунжер 53, определяет дозу впрыскиваемого топлива. Сгорание топлива приводит к повышению давления в камере сгорания 8 (фиг. 1) и следующие 45° поворота ротора 5 происходит рабочий ход, и коленчатый вал, поворачиваясь на очередные 225°, приходит в нижнюю мертвую точку, а газоходный канал 9 совмещается с началом выпускного канала 43 (фиг. 4). В последующие 45° поворота ротора 5 и 225° поворота коленчатого вала происходит процесс вытеснения отработанных газов и т.д. В следующем цилиндре происходят аналогичные процессы со смещением на 72° поворота ротора 5. При этом за один оборот коленчатого вала произойдет два рабочих цикла, то есть двигатель согласно настоящему изобретению по равномерности снимаемого с коленчатого вала момента эквивалентен четырехцилиндровому рядному двигателю, а за один оборот ротора 5 происходит 10 рабочих ходов, что по равномерности снимаемого с ротора 5 момента эквивалентно двадцатицилиндровому рядному двигателю. В двигателе со встречным вращением ротора 5 и коленчатого вала, чтобы получился пятицилиндровый двигатель, количество форсунок n на газораспределительном зеркале должно быть равно трем, поскольку количество форсунок в этом случае подставляется в соотношение i=1–2n, а получаемое при этом передаточное отношение i по абсолютной величине равно количеству цилиндров N. В этом случае за один оборот коленчатого вала произойдет три рабочих цикла, что по равномерности снимаемого с коленчатого вала момента эквивалентно шестицилиндровому рядному двигателю и, соответственно, при съеме момента непосредственно с ротора 5, за один оборот которого произойдет пятнадцать рабочих циклов, по равномерности снимаемого с ротора 5 момента заявляемый двигатель будет эквивалентен тридцатицилиндровому рядному двигателю. Из соотношения также следует, что чем больше число N цилиндров и, соответственно, передаточное число i планетарного редуктора, тем меньше будут обороты ротора 5 и тем большим диаметром он может быть выполнен, не превышая при этом предельно допустимую скорость трения о газораспределительное зеркало 3, и тем большей мощности может быть спроектирован двигатель.Вращение коленчатого вала через крестообразную муфту 112 (фиг. 3), кроме диска 63 (фиг. 1), вращает звездочку 80 с роликами 81 масляного насоса. При этом насос засасывает масло из картера 104 (фиг. 3) через каналы 83, 84 (фиг. 6) перекачивает часть масла по каналу 86, отверстиям 87 (фиг. 3) в корпусе 78 (фиг. 1) насоса, центральным отверстиям диска 66 и проставки 72, каналам 88 и 89 в полость роликов 31 (фиг.2), а основной поток масла через канал 85 (фиг. 6) – в масляный радиатор, откуда через каналы 90 (фиг. 1), 91, 92, 93 и паз 94 оно поступает в полость 96 (фиг. 3). Масло из полости 96 через пазы 97 поступает в кольцевую проточку 98, почти уравновешивая силу давления масла на верхнюю часть диска ротора 5, выступающую в полость 96. Кроме этого давление масла в полости 96 перемещает подвижное кольцо 99, изгибая диафрагму 100 и открывая щель для прохода масла в кольцевую проточку 101, регулируя тем самым давление масла в полости 96. В момент конца такта сжатия и начала рабочего хода сила, создаваемая давлением газов в камере сгорания 8 (фиг. 1) и газоходном канале 9, перекрытом газораспределительным зеркалом 3, становится больше, чем усилие тарельчатой пружины 6, прижимающей через подшипник 15 ротор 5 к газораспределительному зеркалу 3. При этом ротор 5 удаляется от газораспределительного зеркала 3 на величину, которая обеспечивает падение давления в кольцевой проточке 98 (фиг. 3), имеющей минимальную высоту, до давления, меньшего, чем давление масла в полости 96 (указанное перемещение составляет доли микрона в связи с малой сжимаемостью жидкости). Разница этих давлений, действующая на выступающую часть ротора 5 в полости 96, останавливает дальнейшее перемещение ротора 5. При этом перемещение ротора 5 настолько мало, что прорыва газов из газоходного канала 9 (фиг. 1) в зоне контакта с газораспределительным зеркалом 3 не происходит. И в тот момент, когда усилие тарельчатой пружины 6 начинает превосходить усилие от давления газов в газоходном канале 9, ротор 5 возвращается в исходное положение. Охлаждающая жидкость из кольцевой проточки 101 (фиг. 3), выполненной на роторе 5, через отверстия 102 (фиг. 2) поступает в камеру 10 (фиг. 1 и 2), а затем через отверстия 19 (фиг. 1) и пазы 20 в мокрых гильзах 11 попадает в их рубашки охлаждения. Из рубашки охлаждения часть охлаждающей жидкости сразу попадает в полость ротора 5, а часть через специальные отверстия в гильзе 11 – во внутренние части поршней 35 (фиг. 2), из которых через специальные отверстия (не показаны), выполненные в юбке поршня 35, вытекает также во внутреннюю полость ротора 5 (фиг. 1) при перемещении поршня 35 (фиг. 2) в нижнюю мертвую точку. Из ротора 5 масло попадает в картер 104 (фиг. 3), тем самым поддерживая температурный режим.При работе двигателя на дизельном топливе или этаноле в качестве смазывающе-охлаждающей жидкости может быть использовано как моторное масло, так и само топливо.При достижении коленчатым валом максимально допустимой скорости вращения, грузы 68 (фиг. 5) под действием центробежных сил расходятся, сжимая пружины 69 и препятствуя перемещению ползунка 59 под действием пружины 60, не давая ей распрямиться. При этом возвратно-поступательное движение плунжера 53 прекращается, топливо перестает поступать в надплунжерную полость и, соответственно, в камеру сгорания 8 (фиг. 1). Обороты двигателя уменьшаются, пружины 69 (фиг. 5) перемещают грузы 68 к центру, и процесс впрыска топлива возобновляется.Топливо, просочившееся в зазор между плунжером 53 и плунжерным отверстием, попадает в кольцевую проточку, выполненную на плунжере 53, а затем через сливной канал 57 (фиг. 1) в полость с пружиной 49, давление в которой равно давлению, создаваемому топливоподкачивающим насосом. Таким образом, на резиновое уплотняющее кольцо 58 (фиг. 5), расположенное в канавке плунжера 53, высокое давление топлива не воздействует.В случае попадания в систему топливоподачи воздуха и при первом пуске двигателя необходимо ослабить винт 65, выпуская тем самым из системы воздух, и в момент появления топлива снова затянуть винт 65. При этом топливо под действием давления, создаваемого топливоподкачивающим насосом, предварительно сожмет воздух, оставшийся в канале под иглу 47 (фиг. 1) выше винта 65 (фиг. 5). При этом занимаемый воздухом объем будет меньше объема максимальной дозы впрыскиваемого топлива, и при первом рабочем ходе плунжера 53 воздух будет вытеснен в камеру сгорания.Наиболее эффективно предлагаемая схема двигателя может быть использована в резервных дизель-генераторах, так как генератор может работать в режиме двигателя и, соответственно, отпадает необходимость в стартере. Кроме этого возможность съема мощности с быстроходного коленчатого вала или тихоходного ротора, а также с того и другого в механизмах, где необходим большой крутящий момент при малых угловых скоростях вращения, позволяет упростить редуктор или коробку скоростей, а, возможно, и полностью отказаться от них.
Изобретение относится к двигателестроению. Двигатель внутреннего сгорания содержит корпус (1), жестко связанное с ним газораспределительное зеркало (3), снабженное расположенными по окружности не менее чем одним впускным и не менее чем одним выпускным каналами, ротор (5), выполненный в виде диска с окнами газообмена (9), контактирующий с поверхностью газораспределительного зеркала (3) с возможностью перекрытия его впускных и выпускных каналов, цилиндры (11), жестко связанные с ротором (5) через крышки (7), и поршни с пальцами и шатунами. Согласно изобретению в роторе (5) соосно ему установлен коленчатый вал (23, 24, 25, 26, 27), а цилиндры (11) расположены по существу радиально, при этом коленчатый вал, ротор и корпус связаны между собой зубчатой передачей, предпочтительно планетарной. Задачей изобретения является исключение механизма периодического изменения скорости вращения одного из роторов, а также приближение средней скорости трения поршня о цилиндр к скорости трения диска о газораспределительное зеркало и к максимально допустимой. Предлагаемая конструкция позволяет приблизить скорость трения ротора по газораспределительному зеркалу к средней скорости трения поршня по цилиндру в трех- и пятицилиндровом двигателе и сравнять эти скорости, начиная с семицилиндрового двигателя, что сокращает габариты и массу двигателя на единицу мощности. Установка коленчатого вала в роторе позволяет замкнуть осевую силу, возникающую от давления газов в камере сгорания, через коренные шейки коленчатого вала на ротор, а через планетарный редуктор передается лишь выходной момент двигателя. Кроме этого упрощается механизм топливоподачи и газообмена двигателя.
с вашего сайта.
vaen.ru
Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при разработке ракеты-носителя (РН) для легких нагрузок. Жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) включает камеры сгорания, четыре пневмонасосных агрегата для подачи топлива и окислителя, бак с гелием высокого давления, бак с жидким метаном, при этом каждый пневмонасосный агрегат содержит два выхода для отвода газообразной и жидкой компоненты, причем газообразные компоненты метана, кислорода отводятся к рулевым камерам сгорания для последующего дожигания. Изобретение обеспечивает уменьшение массы ЖРД и повышение его эффективности, а также упрощение конструкции ЖРД. 1 ил.
Область техники
Решение относится к области ракетной техники и может быть использовано при разработке ракеты-носителя (РН) для легких нагрузок.
Уровень техники
В ракетной технике топливо в ЖРД (жидкостный ракетный двигатель) подается в камеру сгорания обычно одним из двух способов.
1. С помощью турбонасосного агрегата (ТНА). ТНА качает топливо из баков в камеру, при этом обеспечивает повышенное давление компонентов топлива в камере по сравнению с давлением в баках. ТНА позволяет сделать стенки баков тоньше и легче. По этим причинам двигатель с ТНА имеет высокую эффективность по сравнению другими видами подачи топлива. Но в то же время ТНА усложняет систему и снижает ее надежность. Производство ЖРД с ТНА требует больших трудозатрат, что существенно увеличивает себестоимость. Стоит отметить, что ТНА - устройство инерционного действия, в которой вращающееся колесо придает кинетическую энергию жидкости, которая затем выходной улиткой преобразуется в потенциальную энергию (статическое давление).
2. Вытеснением. В таком случае на борту ракеты имеется баллон повышенного давления, газ из которого вытесняет компоненты топлива из баков в камеру. В таком случае давление в камере ниже давления в баках, а давление в баках ниже давления в баллоне с вытесняющим газом (баллон наддува). Чтобы выдерживать высокое давление, стенки баллона наддува и баков с топливом должны быть достаточно толстыми, что одновременно существенно увеличивает вес баллона и ракеты в целом. Высокий вес баллонов ограничивает максимальное давление в системе. Обычно в ЖРД с ТНА давление всегда выше. Преимуществом ЖРД с вытеснительной подачей топлива является высокая надежность и сравнительно низкие трудозатраты при производстве.
В ракетной технике периодически пытаются применить альтернативные типы подачи топлива (например, электронасос, поршневой насос). Одна из таких альтернативных технологий - беспоршневой пневмонасосный агрегат (ПНА). Он совмещает достоинства ТНА (легкие баки, высокое давление в камере) с достоинствами вытеснительной системы (простота, надежность, дешевизна).
Беспоршневой ПНА состоит из двух (или большего числа) емкостей высокого давления, которые работают поочередно (Pistonless Pumps for Reliable, High Performance Propulsion Systems, http://www-rohan.sdsu.edu/~sharring/Pistonless_pump_for_CEV.pdf). В первом такте в первой емкости давление вытесняющего газа низкое, поэтому она наполняется компонентом топлива из большого бака, а во втором такте - в этой емкости давление вытесняющего газа высокое, и он вытесняет компонент топлива в двигатель. Вторая емкость работает в противофазе. Беспоршневой ПНА является машиной объемного действия (сродни обычному поршневому насосу), но в нем нет поршней и, вообще, движущихся элементов кроме клапанов.
Из уровня техники известен беспоршневой ПНА, созданный компанией Flometrics, раскрытый в заявке на патента США US 20090257888 А1, опубликованной 15 октября 2009 года. Во время испытания на стенде данный ПНА подавал топливо в ЖРД. Особенностью ПНА, описанного Flometrics, является использование для наддува жидкого/газообразного гелия или азота.
В качестве прототипа настоящего решения выбирается жидкостный ракетный двигатель, описанный в патенте РФ RU 2158838, опубликованном в 10.11.2000. В документе описан жидкостный ракетный двигатель, который включает две камеры, закрепленные на раме, прикрепленный к раме ТНА, имеющий турбину, насосы окислителя и горючего, трубопроводы подачи окислителя и горючего в газогенератор и камеры двигателя. Изобретение позволяет улучшить использование пространства двигательного отсека ракеты, упростить процесс сборки двигателя, уменьшить осевой габарит двигателя и осевой габарит и массу ракетоносителя.
К недостаткам изобретения относится использование ТНА, что усложняет систему и снижает ее надежность. Производство ЖРД с ТНА требует больших трудозатрат, что существенно увеличивает себестоимость.
Техническая задача и технический результат
Технической задачей является уменьшение массы ЖРД и повышение его эффективности. Техническим результатом является также упрощение конструкции ЖРД.
Решение
Для решения поставленной задачи предлагается жидкостный ракетный двигатель, включающий камеры сгорания, четыре пневмонасосных агрегата для подачи топлива и окислителя, бак с гелием высокого давления, бак с жидким метаном, отличающийся тем, что каждый пневмонасосный агрегат содержит два выхода для отвода газообразной и жидкой компоненты, причем газообразные компоненты метана, кислорода отводятся к рулевым камерам сгорания для последующего дожигания. Все элементы ЖРД крепятся к раме и представляют собой связанную жестко конструкцию.
Описание чертежей
Сущность решения поясняется фиг. 1, на которой приведена принципиальная схема ЖРД с ПНА с дожиганием газов наддува. Введены следующие обозначения
1 - бак жидкого азота;
2 - вентиль;
3 - обратный клапан;
4 - бак гелия высокого давления;
5 - ПНА-1;
6, 7 - редукционные клапаны;
8 - ПНА-2;
9 - бак горючего;
10 - бак окислителя;
11 - газификатор жидкого метана;
12 - ПНА-Г;
13 - ПНА-О;
14 - газификатор жидкого кислорода;
15, 16 - демпферы;
17 - камера сгорания;
18, 19, 20, 21 - рулевые камеры сгорания.
Детальное описание решения
С одной стороны, ТНА являются сложными в разработке, доводке, изготовлении и использовании тепловыми машинами, часто работающими в экстремальных условиях (высокие температуры, чрезвычайно высокие давления (свыше 500 атмосфер в ТНА РД-170 и ему подобных), агрессивная среда (окислительный газ), предельные механические нагрузки (частота вращения свыше 100000 об/мин), вибрации и другие факторы ракетного полета). Стоимость ТНА составляет до 
стоимости ЖРД и также примерно отказов ЖРД приходятся на ТНА.
С другой стороны, использование вытеснительной подачи приводит к большой массе баков, содержащих топливо под давлением, превышающим давление в камере сгорания ЖРД, большой массе вытесняющего газа, который требует для размещения баллонов высокого давления, также имеющих большую массу, и уменьшает достижимый удельный импульс ЖРД, особенно для первых ступеней, работающих при наружном давлении, отличном от нуля.
Пневмонасосный агрегат позволит получить давление в камере ЖРД больше, чем при вытеснительной подаче, а массу баков - меньше, чем при вытеснительной подаче. Таким образом, по техническим характеристикам ПНА эффективнее вытеснительной подачи. При этом он останется менее эффективным технически, чем ТНА, однако дешевле, надежнее и быстрее в отработке, чем ТНА. Таким образом, ПНА заполняет важную нишу - он эффективнее вытеснительной системы, но дешевле, проще и надежнее ТНА.
Однако применение двух беспоршневых ПНА Flometrics (один для горючего, а другой для окислителя) для подачи горючего и окислителя в камеру ЖРД будет недостаточно эффективным для использования в космической ракете по двум причинам.
Во-первых, баки с жидким/газообразным гелием и/или азотом будут слишком велики.
Во-вторых, для увеличения эффективности системы логично использовать отработанный в ПНА гелий/азот в рулевых камерах сгорания ЖРД. В отличие от основной камеры сгорания ЖРД они не толкают ракету вверх, а управляют ее ориентацией. Если изменять ориентацию не нужно, то отработанные газы стравливаются одновременно через все четыре камеры. В некоторых ракетах рулевые камеры расположены не строго перпендикулярно продольной оси ракеты, а немного под углом, причем сопла направлены в ту же сторону, что и у основной. В таком случае одновременная работа всех четырех рулевых камер поможет разгону ракеты. Однако и гелий, и азот химически инертны, поэтому их горение в рулевых камерах невозможно, а следовательно, - эффективность мала.
Если же в качестве горючего используется жидкие водород или керосин, а в качестве окислителя - жидкий кислород (что перекрывает большинство используемых в ЖРД топливных пар), то можно существенно оптимизировать конструкцию. Для этого бак окислителя надо наддувать кислородом, а бак горючего - метаном.
Принципиальное устройство с беспоршневыми ПНА с дожиганием газов наддува показано на фиг. 1.
Устройство состоит из бака жидкого азота, газификатора жидкого метана, газификатора жидкого кислорода, бака высокого давления с гелием на 300 атм, четырех беспоршневых ПНА, а также соединительных трубок и ряда вспомогательных элементов.
Каждый ПНА (аналогичный описанному в документе US 20090257888 А1) имеет два входа и два выхода. По сути каждый ПНА работает как насос. На один вход подается рабочий газ высокого давления, на другой вход - жидкость низкого давления, в первый выход - отработанный газ низкого давления, а во второй выход - жидкость высокого давления.
Опишем работу агрегатов.
ПНА-1. На входы подается - гелий высокого давления, жидкий метан. Выходы - гелий низкого давления, жидкий метан.
Далее жидкий метан с ПНА-1 идет в газификатор, где превращается в газообразный метан высокого давления, который поступает на ПНА-Г. Гелий низкого давления идет на наддув бака с жидким метаном. Для того чтобы вся система стартовала, первоначально наддув бака жидкого метана осуществляется гелием высокого давления, для чего открывается вентиль 2. Как только ПНА-1 начинает работу, вентиль 2 закрывается, в результате чего гелий высокого давления перестает поступать в бак жидкого метана и продолжает идти только напрямую в ПНА-1, а бак жидкого метана продолжает заполняться гелием низкого давления, выходящим из ПНА-1.
ПНА-Г. На входы подается - газообразный метан высокого давления, жидкое горючее из бака горючего. Выходы - газообразный метан низкого давления, горючее под высоким давлением.
Далее газообразный метан идет на рулевые двигатели и на наддув бака горючего, а горючее - непосредственно в камеру ЖРД.
Далее рассмотрим наддув окислителя (жидкий кислород).
ПНА-2. На входы подается - гелий высокого давления из гелиевого бака высокого давления, окислитель из бака окислителя. Выходы - газообразный гелий низкого давления, жидкий окислитель.
Гелий низкого давления из ПНА-2 затем наддувает бак окислителя. Жидкий окислитель после ПНА-2 поступает в газификатор, где превращается в газообразный кислород высокого давления.
ПНА-О. На входы подается - газообразный кислород высокого давления, жидкий кислород из бака окислителя. Выходы - газообразный кислород низкого давления, жидкий кислород высокого давления.
Жидкий кислород далее поступает в камеру ЖРД. Газообразный кислород поступает в рулевые камеры, где дожигается вместе с метаном в рулевых камерах, осуществляющих поворот ракеты, или дожигается сразу во всех рулевых камерах, если ракета в данный момент не нуждается в повороте.
Дополнительные элементы конструкции - демпферы (призваны сглаживать скачки давления, вызываемые циклической работой ПНА) и редукционные клапаны (поддерживают нужное давление в баках горючего и окислителя).
Жидкостный ракетный двигатель, включающий камеры сгорания, четыре пневмонасосных агрегата для подачи топлива и окислителя, бак с гелием высокого давления, бак с жидким метаном, отличающийся тем, что каждый пневмонасосный агрегат содержит два выхода для отвода газообразной и жидкой компоненты, причем газообразные компоненты метана, кислорода отводятся к рулевым камерам сгорания для последующего дожигания.
www.findpatent.ru
Американские военно-воздушные силы финансируют разработку беспоршневого двигателя внутреннего сгорания, которым планируется оснащать беспилотные летательные аппараты. Двигатели такого типа обладают высочайшей удельной мощностью и крутящим моментом при суперкомпактных размерах и весе. Инженеры-мотористы называют их двигателями с качающимся диском.
Принцип его работы и конструкция имеют сходство с роторным двигателем Ванкеля. Но это только внешнее сходство. Основным элементом мотора является диск особой криволинейной формы, установленный на Z-образном коленчатом вале. При вращении вала благодаря особой форме диска внутри корпуса двигателя попеременно открываются так называемые карманы, представляющие собой камеры сгорания. Их два. Топливовоздушная смесь впрыскивается в карманы, сжимается и затем происходит её возгорание от свечи зажигания. Расширение газов толкает диск, обеспечивая его вращение. Угловая доля рабочего такта в полном обороте вала – 270 градусов.
Эффективность двигателей с качающимся диском поражает воображение. При равных весе и геометрических размерах они вдвое превосходят по мощности двухтактные моторы и вчетверо – классические четырехтактные. Кроме того, они крайне неприхотливы к типу топлива и пожирают буквально всё, что горит – бензин, дизтопливо, мазут, природный газ и водород.
Разработку двигателей с качающимся диском ведет консорциум частных технологических компаний Kinetic Research & Development и Baker Engineering. Цель, которую поставили военные перед исследователями, предусматривает создание двигателя мощностью 77 л.с. и весом не более 16,3 килограммов. По словам президента компании Kinetic Research & Development Майкла Боруты, частично цель уже выполнена – действующий бензиновый прототип, сделанный из стали,по весу соответствует техническому заданию. Цель по мощности также не представляется недостижимой. По – крайней мере, расчеты доказывают, что для заданного объема можно добиться отдачи более сотни лошадок!
Сейчас коллектив разработчиков начал работы по созданию второго поколения двигателя с качающимся диском, который будет сделан целиком из алюминиевого сплава. Его мощность составит 103 л.с.
Основными преимуществами ДВС с качающимся диском над традиционными ДВС, по мнению Майкла Боруты, являются следующие:
1. два рабочих такта на каждый полный оборот коленвала2. идеальная сбалансированность3. малое количество вращающихся элементов, низкие потери на трение и долговечность4. возможность работы на очень высоких оборотах без перегрева5. измененяемая степень сжатия6. для повышения удельной мощности объем кармана в фазе впрыска может быть уменьшен по отношению к объему в фазе расширения газов7. объем кармана в фазе сжатия может быть увеличен для создания эффекта турбонаддува8. возможность использования внешней предварительной камеры сгорания может радикально снизить эмиссию углекислоты9. возможность использования внешней предварительной камеры сгорания позволит применять для питания мотора различные виды топлива10. двухдисковый дизайн мотора способен резко увеличить его удельную мощность и крутящий момент
По сообщению FightGlobal
Работающая технология, которую запускают в серию. Хорошо? Или очередная утка для попила? Что скажет ВИФ? ))
dragoman.livejournal.com
Новому двигателю не нужна трансмиссия, система охлаждения, регулировка выхлопов.
Ученые из Мичиганского государственного университета создали прототип нового автомобильного двигателя без поршней, коленчатого вала и клапанов. Использование волнового дискового генератора вместо обычного двигателя внутреннего сгорания может сократить выхлопы на 90 процентов.
Генератор размером с кастрюлю, который предназначен для использования вместо полутонного двигателя, поможет также значительно уменьшить массу автомобиля. Ему не нужна трансмиссия, система охлаждения, регулировка выхлопов. Работа прототипа была продемонстрирована на заседании Агентства передовых исследовательских проектов Департамента энергетики США.
Двигатель состоит из ротора с волнообразными каналами. Через внутренний впуск поступает топливо и воздух, а ротор вращается, блокируя их выход. Внезапное нарастание давления вызывает ударную волну, которая сжимает смесь. Затем смесь зажигается, а по мере вращения ротора открывается отдушина, через которую выходят отработанные газы.
Коэффициент полезного действия двигателя нового типа составит 60 процентов. Это в 2-4 раза больше, чем у стандартных автомобильных двигателей. Масса автомобилей снизится как минимум на 20 процентов не только за счет веса самого генератора, но и за счет экономии топлива, которого будет меньше в баках, сообщает iscience.ru.
Университет получил правительственный грант в размере 2,5 миллиона долларов на коммерческое развитие технологии. К концу года ученые надеются построить более мощный прототип на 25 киловатт.
Источник: tatar-inform.ru
www.prostanki.com
Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при разработке ракеты-носителя (РН) для легких нагрузок. Жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) включает камеры сгорания, четыре пневмонасосных агрегата для подачи топлива и окислителя, бак с гелием высокого давления, бак с жидким метаном, при этом каждый пневмонасосный агрегат содержит два выхода для отвода газообразной и жидкой компоненты, причем газообразные компоненты метана, кислорода отводятся к рулевым камерам сгорания для последующего дожигания. Изобретение обеспечивает уменьшение массы ЖРД и повышение его эффективности, а также упрощение конструкции ЖРД. 1 ил.
Область техники
Решение относится к области ракетной техники и может быть использовано при разработке ракеты-носителя (РН) для легких нагрузок.
Уровень техники
В ракетной технике топливо в ЖРД (жидкостный ракетный двигатель) подается в камеру сгорания обычно одним из двух способов.
1. С помощью турбонасосного агрегата (ТНА). ТНА качает топливо из баков в камеру, при этом обеспечивает повышенное давление компонентов топлива в камере по сравнению с давлением в баках. ТНА позволяет сделать стенки баков тоньше и легче. По этим причинам двигатель с ТНА имеет высокую эффективность по сравнению другими видами подачи топлива. Но в то же время ТНА усложняет систему и снижает ее надежность. Производство ЖРД с ТНА требует больших трудозатрат, что существенно увеличивает себестоимость. Стоит отметить, что ТНА - устройство инерционного действия, в которой вращающееся колесо придает кинетическую энергию жидкости, которая затем выходной улиткой преобразуется в потенциальную энергию (статическое давление).
2. Вытеснением. В таком случае на борту ракеты имеется баллон повышенного давления, газ из которого вытесняет компоненты топлива из баков в камеру. В таком случае давление в камере ниже давления в баках, а давление в баках ниже давления в баллоне с вытесняющим газом (баллон наддува). Чтобы выдерживать высокое давление, стенки баллона наддува и баков с топливом должны быть достаточно толстыми, что одновременно существенно увеличивает вес баллона и ракеты в целом. Высокий вес баллонов ограничивает максимальное давление в системе. Обычно в ЖРД с ТНА давление всегда выше. Преимуществом ЖРД с вытеснительной подачей топлива является высокая надежность и сравнительно низкие трудозатраты при производстве.
В ракетной технике периодически пытаются применить альтернативные типы подачи топлива (например, электронасос, поршневой насос). Одна из таких альтернативных технологий - беспоршневой пневмонасосный агрегат (ПНА). Он совмещает достоинства ТНА (легкие баки, высокое давление в камере) с достоинствами вытеснительной системы (простота, надежность, дешевизна).
Беспоршневой ПНА состоит из двух (или большего числа) емкостей высокого давления, которые работают поочередно (Pistonless Pumps for Reliable, High Performance Propulsion Systems, http://www-rohan.sdsu.edu/~sharring/Pistonless_pump_for_CEV.pdf). В первом такте в первой емкости давление вытесняющего газа низкое, поэтому она наполняется компонентом топлива из большого бака, а во втором такте - в этой емкости давление вытесняющего газа высокое, и он вытесняет компонент топлива в двигатель. Вторая емкость работает в противофазе. Беспоршневой ПНА является машиной объемного действия (сродни обычному поршневому насосу), но в нем нет поршней и, вообще, движущихся элементов кроме клапанов.
Из уровня техники известен беспоршневой ПНА, созданный компанией Flometrics, раскрытый в заявке на патента США US 20090257888 А1, опубликованной 15 октября 2009 года. Во время испытания на стенде данный ПНА подавал топливо в ЖРД. Особенностью ПНА, описанного Flometrics, является использование для наддува жидкого/газообразного гелия или азота.
В качестве прототипа настоящего решения выбирается жидкостный ракетный двигатель, описанный в патенте РФ RU 2158838, опубликованном в 10.11.2000. В документе описан жидкостный ракетный двигатель, который включает две камеры, закрепленные на раме, прикрепленный к раме ТНА, имеющий турбину, насосы окислителя и горючего, трубопроводы подачи окислителя и горючего в газогенератор и камеры двигателя. Изобретение позволяет улучшить использование пространства двигательного отсека ракеты, упростить процесс сборки двигателя, уменьшить осевой габарит двигателя и осевой габарит и массу ракетоносителя.
К недостаткам изобретения относится использование ТНА, что усложняет систему и снижает ее надежность. Производство ЖРД с ТНА требует больших трудозатрат, что существенно увеличивает себестоимость.
Техническая задача и технический результат
Технической задачей является уменьшение массы ЖРД и повышение его эффективности. Техническим результатом является также упрощение конструкции ЖРД.
Решение
Для решения поставленной задачи предлагается жидкостный ракетный двигатель, включающий камеры сгорания, четыре пневмонасосных агрегата для подачи топлива и окислителя, бак с гелием высокого давления, бак с жидким метаном, отличающийся тем, что каждый пневмонасосный агрегат содержит два выхода для отвода газообразной и жидкой компоненты, причем газообразные компоненты метана, кислорода отводятся к рулевым камерам сгорания для последующего дожигания. Все элементы ЖРД крепятся к раме и представляют собой связанную жестко конструкцию.
Описание чертежей
Сущность решения поясняется фиг. 1, на которой приведена принципиальная схема ЖРД с ПНА с дожиганием газов наддува. Введены следующие обозначения
1 - бак жидкого азота;
2 - вентиль;
3 - обратный клапан;
4 - бак гелия высокого давления;
5 - ПНА-1;
6, 7 - редукционные клапаны;
8 - ПНА-2;
9 - бак горючего;
10 - бак окислителя;
11 - газификатор жидкого метана;
12 - ПНА-Г;
13 - ПНА-О;
14 - газификатор жидкого кислорода;
15, 16 - демпферы;
17 - камера сгорания;
18, 19, 20, 21 - рулевые камеры сгорания.
Детальное описание решения
С одной стороны, ТНА являются сложными в разработке, доводке, изготовлении и использовании тепловыми машинами, часто работающими в экстремальных условиях (высокие температуры, чрезвычайно высокие давления (свыше 500 атмосфер в ТНА РД-170 и ему подобных), агрессивная среда (окислительный газ), предельные механические нагрузки (частота вращения свыше 100000 об/мин), вибрации и другие факторы ракетного полета). Стоимость ТНА составляет до
стоимости ЖРД и также примерно
отказов ЖРД приходятся на ТНА.
С другой стороны, использование вытеснительной подачи приводит к большой массе баков, содержащих топливо под давлением, превышающим давление в камере сгорания ЖРД, большой массе вытесняющего газа, который требует для размещения баллонов высокого давления, также имеющих большую массу, и уменьшает достижимый удельный импульс ЖРД, особенно для первых ступеней, работающих при наружном давлении, отличном от нуля.
Пневмонасосный агрегат позволит получить давление в камере ЖРД больше, чем при вытеснительной подаче, а массу баков - меньше, чем при вытеснительной подаче. Таким образом, по техническим характеристикам ПНА эффективнее вытеснительной подачи. При этом он останется менее эффективным технически, чем ТНА, однако дешевле, надежнее и быстрее в отработке, чем ТНА. Таким образом, ПНА заполняет важную нишу - он эффективнее вытеснительной системы, но дешевле, проще и надежнее ТНА.
Однако применение двух беспоршневых ПНА Flometrics (один для горючего, а другой для окислителя) для подачи горючего и окислителя в камеру ЖРД будет недостаточно эффективным для использования в космической ракете по двум причинам.
Во-первых, баки с жидким/газообразным гелием и/или азотом будут слишком велики.
Во-вторых, для увеличения эффективности системы логично использовать отработанный в ПНА гелий/азот в рулевых камерах сгорания ЖРД. В отличие от основной камеры сгорания ЖРД они не толкают ракету вверх, а управляют ее ориентацией. Если изменять ориентацию не нужно, то отработанные газы стравливаются одновременно через все четыре камеры. В некоторых ракетах рулевые камеры расположены не строго перпендикулярно продольной оси ракеты, а немного под углом, причем сопла направлены в ту же сторону, что и у основной. В таком случае одновременная работа всех четырех рулевых камер поможет разгону ракеты. Однако и гелий, и азот химически инертны, поэтому их горение в рулевых камерах невозможно, а следовательно, - эффективность мала.
Если же в качестве горючего используется жидкие водород или керосин, а в качестве окислителя - жидкий кислород (что перекрывает большинство используемых в ЖРД топливных пар), то можно существенно оптимизировать конструкцию. Для этого бак окислителя надо наддувать кислородом, а бак горючего - метаном.
Принципиальное устройство с беспоршневыми ПНА с дожиганием газов наддува показано на фиг. 1.
Устройство состоит из бака жидкого азота, газификатора жидкого метана, газификатора жидкого кислорода, бака высокого давления с гелием на 300 атм, четырех беспоршневых ПНА, а также соединительных трубок и ряда вспомогательных элементов.
Каждый ПНА (аналогичный описанному в документе US 20090257888 А1) имеет два входа и два выхода. По сути каждый ПНА работает как насос. На один вход подается рабочий газ высокого давления, на другой вход - жидкость низкого давления, в первый выход - отработанный газ низкого давления, а во второй выход - жидкость высокого давления.
Опишем работу агрегатов.
ПНА-1. На входы подается - гелий высокого давления, жидкий метан. Выходы - гелий низкого давления, жидкий метан.
Далее жидкий метан с ПНА-1 идет в газификатор, где превращается в газообразный метан высокого давления, который поступает на ПНА-Г. Гелий низкого давления идет на наддув бака с жидким метаном. Для того чтобы вся система стартовала, первоначально наддув бака жидкого метана осуществляется гелием высокого давления, для чего открывается вентиль 2. Как только ПНА-1 начинает работу, вентиль 2 закрывается, в результате чего гелий высокого давления перестает поступать в бак жидкого метана и продолжает идти только напрямую в ПНА-1, а бак жидкого метана продолжает заполняться гелием низкого давления, выходящим из ПНА-1.
ПНА-Г. На входы подается - газообразный метан высокого давления, жидкое горючее из бака горючего. Выходы - газообразный метан низкого давления, горючее под высоким давлением.
Далее газообразный метан идет на рулевые двигатели и на наддув бака горючего, а горючее - непосредственно в камеру ЖРД.
Далее рассмотрим наддув окислителя (жидкий кислород).
ПНА-2. На входы подается - гелий высокого давления из гелиевого бака высокого давления, окислитель из бака окислителя. Выходы - газообразный гелий низкого давления, жидкий окислитель.
Гелий низкого давления из ПНА-2 затем наддувает бак окислителя. Жидкий окислитель после ПНА-2 поступает в газификатор, где превращается в газообразный кислород высокого давления.
ПНА-О. На входы подается - газообразный кислород высокого давления, жидкий кислород из бака окислителя. Выходы - газообразный кислород низкого давления, жидкий кислород высокого давления.
Жидкий кислород далее поступает в камеру ЖРД. Газообразный кислород поступает в рулевые камеры, где дожигается вместе с метаном в рулевых камерах, осуществляющих поворот ракеты, или дожигается сразу во всех рулевых камерах, если ракета в данный момент не нуждается в повороте.
Дополнительные элементы конструкции - демпферы (призваны сглаживать скачки давления, вызываемые циклической работой ПНА) и редукционные клапаны (поддерживают нужное давление в баках горючего и окислителя).
Жидкостный ракетный двигатель, включающий камеры сгорания, четыре пневмонасосных агрегата для подачи топлива и окислителя, бак с гелием высокого давления, бак с жидким метаном, отличающийся тем, что каждый пневмонасосный агрегат содержит два выхода для отвода газообразной и жидкой компоненты, причем газообразные компоненты метана, кислорода отводятся к рулевым камерам сгорания для последующего дожигания.
bankpatentov.ru
